提交 54afcbc4 编写于 作者: X Xinghai Sun

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#### 动态记忆 2 --- Seq2Seq 中的注意力机制
然而上节所的单个向量 $h$ 或 $c$ 的信息带宽有限。在序列到序列生成模型中,这样的带宽瓶颈更表现在信息从编码器(Encoder)转移至解码器(Decoder)的过程中:仅仅依赖一个有限长度的状态向量来编码整个变长的源语句,有着较大的潜在信息丢失。
然而上节所的单个向量 $h$ 或 $c$ 的信息带宽有限。在序列到序列生成模型中,这样的带宽瓶颈更表现在信息从编码器(Encoder)转移至解码器(Decoder)的过程中:仅仅依赖一个有限长度的状态向量来编码整个变长的源语句,有着较大的潜在信息丢失。
\[[3](#参考文献)\] 提出了注意力机制(Attention Mechanism),以克服上述困难。在解码时,解码器不再仅仅依赖来自编码器的唯一的句级编码向量的信息,而是依赖一个向量组的记忆信息:向量组中的每个向量为编码器的各字符(Token)的编码向量(例如 $h_t$)。通过一组可学习的注意强度(Attention Weights) 来动态分配注意力资源,以线性加权方式读取信息,用于序列的不同时间步的符号生成(可参考 PaddlePaddle Book [机器翻译](https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/08.machine_translation)一章)。这种注意强度的分布,可看成基于内容的寻址(请参考神经图灵机 \[[1](#参考文献)\] 中的寻址描述),即在源语句的不同位置根据其内容决定不同的读取强度,起到一种和源语句 “软对齐(Soft Alignment)” 的作用。
......@@ -40,7 +40,7 @@
#### 动态记忆 3 --- 神经图灵机
图灵机(Turing Machines)或冯诺依曼体系(Von Neumann Architecture),是计算机体系结构的雏形。运算器(如代数计算)、控制器(如逻辑分支控制)和存储器三者一体,共同构成了当代计算机的核心运行机制。神经图灵机(Neural Turing Machines)\[[1](#参考文献)\] 试图利用神经网络模拟可微分(即可通过梯度下降来学习)的图灵机,以实现更复杂的智能。而一般的机器学习模型,大部分忽略了显式的动态存储。神经图灵机正是要弥补这样的潜在缺陷。
图灵机(Turing Machine)或冯诺依曼体系(Von Neumann Architecture),是计算机体系结构的雏形。运算器(如代数计算)、控制器(如逻辑分支控制)和存储器三者一体,共同构成了当代计算机的核心运行机制。神经图灵机(Neural Turing Machines)\[[1](#参考文献)\] 试图利用神经网络模拟可微分(即可通过梯度下降来学习)的图灵机,以实现更复杂的智能。而一般的机器学习模型,大部分忽略了显式的动态存储。神经图灵机正是要弥补这样的潜在缺陷。
<div align="center">
<img src="image/turing_machine_cartoon.gif"><br/>
......@@ -123,7 +123,7 @@
该类结构如下:
```
```python
class ExternalMemory(object):
"""External neural memory class.
......@@ -214,7 +214,7 @@ class ExternalMemory(object):
- 输入参数 `name`: 外部记忆单元名,不同实例的相同命名将共享同一外部记忆单元。
- 输入参数 `mem_slot_size`: 单个记忆槽(向量)的维度。
- 输入参数 `boot_layer`: 用于内存槽初始化的层。需为序列类型,序列长度表明记忆槽的数量。
- 输入参数 `readonly`: 是否打开只读模式(例如打开只读模式,该实例可用于注意力机制)。打开`write` 方法不可被调用。
- 输入参数 `readonly`: 是否打开只读模式(例如打开只读模式,该实例可用于注意力机制)。打开只读模式`write` 方法不可被调用。
- 输入参数 `enable_interpolation`: 是否允许插值寻址(例如当用于注意力机制时,需要关闭插值寻址)。
- `write`: 写操作。
- 输入参数 `write_key`:某层的输出,其包含的信息用于写头的寻址和实际写入信息的生成。
......@@ -224,14 +224,14 @@ class ExternalMemory(object):
部分关键实现逻辑:
- 神经图灵机的 “外部存储矩阵” 采用 `Paddle.layer.memory`实现,并采用序列形式(`is_seq=True`),该序列的长度表示记忆槽的数量,序列的 `size` 表示记忆槽(向量)的大小。该序列依赖一个外部层作为初始化, 其记忆槽的数量取决于该层输出序列的长度。因此,该类不仅可用来实现有界记忆(Bounded Memory),同时可用来实现无界记忆 (Unbounded Memory,即记忆槽数量可变)。
- 神经图灵机的 “外部存储矩阵” 采用 `Paddle.layer.memory`实现该序列的长度表示记忆槽的数量,序列的 `size` 表示记忆槽(向量)的大小。该序列依赖一个外部层作为初始化, 其记忆槽的数量取决于该层输出序列的长度。因此,该类不仅可用来实现有界记忆(Bounded Memory),同时可用来实现无界记忆 (Unbounded Memory,即记忆槽数量可变)。
```
self.external_memory = paddle.layer.memory(
name=self.name,
size=self.mem_slot_size,
is_seq=True,
boot_layer=boot_layer)
```python
self.external_memory = paddle.layer.memory(
name=self.name,
size=self.mem_slot_size,
is_seq=True,
boot_layer=boot_layer)
```
- `ExternalMemory`类的寻址逻辑通过 `_content_addressing``_interpolation` 两个私有方法实现。读和写操作通过 `read``write` 两个函数实现,包括上述的寻址操作。并且读和写的寻址独立进行,不同于 \[[2](#参考文献)\] 中的二者共享同一个寻址强度,目的是为了使得该类更通用。
- 为了简单起见,控制器(Controller)未被专门模块化,而是分散在各个寻址和读写函数中。控制器主要包括寻址操作和写操作时生成写入/擦除向量等,其中寻址操作通过上述的`_content_addressing``_interpolation` 两个私有方法实现,写操作时的写入/擦除向量的生成则在 `write` 方法中实现。上述均采用简单的前馈网络模拟控制器。读者可尝试剥离控制器逻辑并模块化,同时可尝试循环神经网络做控制器。
......@@ -243,7 +243,7 @@ class ExternalMemory(object):
涉及三个主要函数:
```
```python
def bidirectional_gru_encoder(input, size, word_vec_dim):
"""Bidirectional GRU encoder.
......@@ -344,23 +344,23 @@ def memory_enhanced_seq2seq(encoder_input, decoder_input, decoder_target,
- 无界外部记忆:即传统的注意力机制。利用`ExternalMemory`,打开只读开关,关闭插值寻址。并利用解码器的第一组输出作为 `ExternalMemory` 中存储矩阵的初始化(`boot_layer`)。因此,该存储的记忆槽数目是动态可变的,取决于编码器的字符数。
```
unbounded_memory = ExternalMemory(
name="unbounded_memory",
mem_slot_size=size * 2,
boot_layer=unbounded_memory_init,
readonly=True,
enable_interpolation=False)
```python
unbounded_memory = ExternalMemory(
name="unbounded_memory",
mem_slot_size=size * 2,
boot_layer=unbounded_memory_init,
readonly=True,
enable_interpolation=False)
```
- 有界外部记忆:利用`ExternalMemory`,关闭只读开关,打开插值寻址。并利用解码器的第一组输出,取均值池化(pooling)后并扩展为指定序列长度后,叠加随机噪声(训练和推断时保持一致),作为 `ExternalMemory` 中存储矩阵的初始化(`boot_layer`)。因此,该存储的记忆槽数目是固定的。即代码中的:
```
bounded_memory = ExternalMemory(
name="bounded_memory",
mem_slot_size=size,
boot_layer=bounded_memory_init,
readonly=False,
enable_interpolation=True)
```python
bounded_memory = ExternalMemory(
name="bounded_memory",
mem_slot_size=size,
boot_layer=bounded_memory_init,
readonly=False,
enable_interpolation=True)
```
注意到,在我们的实现中,注意力机制(或无界外部存储)和神经图灵机(或有界外部存储)被实现成相同的 `ExternalMemory` 类。前者是**只读**的, 后者**可读可写**。这样处理仅仅是为了便于统一我们对 “注意机制” 和 “记忆机制” 的理解和认识,同时也提供更简洁和统一的实现版本。注意力机制也可以通过 `paddle.networks.simple_attention` 实现。
......@@ -377,7 +377,7 @@ def memory_enhanced_seq2seq(encoder_input, decoder_input, decoder_target,
数据是通过无参的 `reader()` 迭代器函数,进入训练过程。因此我们需要为训练数据和测试数据分别构造两个 `reader()` 迭代器。`reader()` 函数使用 `yield` 来实现迭代器功能(即可通过 `for instance in reader()` 方式迭代运行), 例如
```
```python
def reader():
for instance in data_list:
yield instance
......@@ -389,7 +389,7 @@ def reader():
PaddlePaddle 的接口 [paddle.paddle.wmt14](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/python/paddle/v2/dataset/wmt14.py), 默认提供了一个经过预处理的、较小规模的 [wmt14 英法翻译数据集的子集](http://paddlepaddle.bj.bcebos.com/demo/wmt_shrinked_data/wmt14.tgz)(该数据集有193319条训练数据,6003条测试数据,词典长度为30000)。并提供了两个reader creator函数如下:
```
```python
paddle.dataset.wmt14.train(dict_size)
paddle.dataset.wmt14.test(dict_size)
```
......@@ -400,27 +400,27 @@ paddle.dataset.wmt14.test(dict_size)
命令行输入:
```
```bash
python mt_with_external_memory.py
```
或自定义部分参数, 例如:
```
CUDA_VISIBLE_DEVICES=8,9,10,11 python train.py \
--dict_size 30000 \
--word_vec_dim 512 \
--hidden_size 1024 \
--memory_slot_num 8 \
--use_gpu True \
--trainer_count 4 \
--num_passes 100 \
--batch_size 128 \
--memory_perturb_stddev 0.1
```bash
python train.py \
--dict_size 30000 \
--word_vec_dim 512 \
--hidden_size 1024 \
--memory_slot_num 8 \
--use_gpu False \
--trainer_count 1 \
--num_passes 100 \
--batch_size 128 \
--memory_perturb_stddev 0.1
```
即可运行训练脚本,训练模型将被定期保存于本地 `./checkpoints`。参数含义可运行
```
```bash
python train.py --help
```
......@@ -429,28 +429,28 @@ python train.py --help
命令行输入:
```
```bash
python infer.py
```
或自定义部分参数, 例如:
```
CUDA_VISIBLE_DEVICES=8,9,10,11 python train.py \
--dict_size 30000 \
--word_vec_dim 512 \
--hidden_size 1024 \
--memory_slot_num 8 \
--use_gpu True \
--trainer_count 4 \
--memory_perturb_stddev 0.1 \
--infer_num_data 10 \
--model_filepath checkpoints/params.latest.tar.gz
--beam_size 3
```bash
python train.py \
--dict_size 30000 \
--word_vec_dim 512 \
--hidden_size 1024 \
--memory_slot_num 8 \
--use_gpu False \
--trainer_count 1 \
--memory_perturb_stddev 0.1 \
--infer_num_data 10 \
--model_filepath checkpoints/params.latest.tar.gz \
--beam_size 3
```
即可运行解码脚本,产生示例翻译结果。参数含义可运行:
```
```bash
python infer.py --help
```
......
......@@ -56,10 +56,7 @@ class ExternalMemory(object):
self.readonly = readonly
self.enable_interpolation = enable_interpolation
self.external_memory = paddle.layer.memory(
name=self.name,
size=self.mem_slot_size,
is_seq=True,
boot_layer=boot_layer)
name=self.name, size=self.mem_slot_size, boot_layer=boot_layer)
# prepare a constant (zero) intializer for addressing weights
self.zero_addressing_init = paddle.layer.slope_intercept(
input=paddle.layer.fc(input=boot_layer, size=1),
......@@ -114,7 +111,6 @@ class ExternalMemory(object):
last_addressing_weight = paddle.layer.memory(
name=self.name + "_addressing_weight_" + head_name,
size=1,
is_seq=True,
boot_layer=self.zero_addressing_init)
interpolated_weight = paddle.layer.interpolation(
name=self.name + "_addressing_weight_" + head_name,
......
......@@ -4,10 +4,11 @@
import distutils.util
import argparse
import gzip
import paddle.v2 as paddle
from external_memory import ExternalMemory
from model import *
from data_utils import *
from model import memory_enhanced_seq2seq
from data_utils import reader_append_wrapper
parser = argparse.ArgumentParser(description=__doc__)
parser.add_argument(
......
......@@ -184,7 +184,7 @@ def memory_enhanced_decoder(input, target, initial_state, source_context, size,
input=decoder_result, label=target)
return cost
else:
target_embeddings = paddle.layer.GeneratedInputV2(
target_embeddings = paddle.layer.GeneratedInput(
size=dict_size,
embedding_name="_decoder_word_embedding",
embedding_size=word_vec_dim)
......
......@@ -6,10 +6,11 @@ import sys
import gzip
import distutils.util
import random
import paddle.v2 as paddle
from external_memory import ExternalMemory
from model import *
from data_utils import *
from model import memory_enhanced_seq2seq
from data_utils import reader_append_wrapper
parser = argparse.ArgumentParser(description=__doc__)
parser.add_argument(
......@@ -65,6 +66,12 @@ def train():
"""
For training.
"""
# create optimizer
optimizer = paddle.optimizer.Adam(
learning_rate=5e-5,
gradient_clipping_threshold=5,
regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=8e-4))
# create network config
source_words = paddle.layer.data(
name="source_words",
......@@ -85,12 +92,8 @@ def train():
is_generating=False,
beam_size=None)
# create parameters and optimizer
# create parameters and trainer
parameters = paddle.parameters.create(cost)
optimizer = paddle.optimizer.Adam(
learning_rate=5e-5,
gradient_clipping_threshold=5,
regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=8e-4))
trainer = paddle.trainer.SGD(
cost=cost, parameters=parameters, update_equation=optimizer)
......
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