tensorflow(十一)--利用seq2seq的Decoder-Encoder机制实现序列生成模型（上）

前言：

由于本社群打算组队参加京东的多轮对话系统挑战赛，比赛内容主要是做一款功能强大的聊天机器人，由于之前一直都是在做视觉，而seq2seq又是聊天机器人不可或缺的，因此打算学一下nlp的东西。（PS：大佬们如果对比赛感兴趣的，可以联系群主。）

一、初识

seq2seq 即“Sequence to Sequence”，是一个 Encoder–Decoder 结构的网络，它的输入是一个序列，输出也是一个序列， Encoder 中将一个可变长度的信号序列变为固定长度的向量表达，Decoder 将这个固定长度的向量变成可变长度的目标的信号序列。
这个结构最重要的地方在于输入序列和输出序列的长度是可变的，可以用于翻译，聊天机器人，句法分析，文本摘要等。

seq2seq最早由两篇文章独立地阐述了它主要思想，分别是
《Sequence to Sequence Learning with Neural Networks》
地址：https://arxiv.org/pdf/1409.3215.pdf
和《Learning Phrase Representation using RNN Encoder-Decoder for Statistical Machine Translation》
地址：https://arxiv.org/pdf/1406.1078.pdf

二、深入

Encoder-Decoder的基本结构如图所示：

模型读取一个输入句“ABC”，并生成“WXYZ”作为输出语句。该模型在输出句尾标记后停止进行预测。注意，LSTM读取输入相反，因为这样做在数据中引入了许多短期依赖项，使得优化问题更加容易。

LSTM 的目的是估计条件概率 p(y1, … , yT′ |x1, … , xT ) ，
它先通过最后一个隐藏层获得输入序列 (x1, … , xT ) 的固定长度的向量表达 v，
然后用 LSTM-LM 公式计算输出序列 y1, … , yT′ 的概率，
在公式中，初始状态就是 v，公式如下：

在这个方程中，每个p(yt|v，y1，…，yt−1)分布都表示为词汇表中所有单词的softmax。请注意，我们需要在每个句子的结尾都有一个特殊的句尾符号“”，这使得模型能够在所有可能长度的序列上定义一个分布。总体方案如上图所示。其中所示的LSTM计算“A”、“B”、“C”、“”的表示，然后使用这种表示计算“W”、“X”、“Y”、“Z”、“”的概率。

(1) Encoder阶段：

Encoder过程很简单，直接使用RNN（一般用LSTM）进行语义向量生成：

ht=f(xt,ht−1)

c=ϕ(h1,…,hT)

其中f是非线性激活函数， ht−1
是上一隐节点输出， xt

是当前时刻的输入。向量c通常为RNN中的最后一个隐节点(h, Hidden state)，或者是多个隐节点的加权和。

(2) Decoder阶段

该模型的decoder过程是使用另一个RNN通过当前隐状态 ht
来预测当前的输出符号 yt ，这里的 ht 和 yt

都与其前一个隐状态和输出有关：

ht=f(ht−1,yt−1,c)

P(yt|yt−1,…,y1,c)=g(ht,yt−1,c)

三、了解注意力机制

在seq2seq网络中存在的问题：即压缩损失了大量的信息
如下图：由于rnn的特性，网络最后的节点几乎包含了前面节点的全部信息。因此解码部分的很大一部分信息是来源于eat后面的单元，因此损失了前面节点的大量信息。

通俗的来说，注意力机制很像图像领域中的ROI区域，即部分的内容主要由部分来决定。如下图：这里的knowledge很大程度上是又知识得到的，那么我们在设置权重的时候，便可以将知识的权重设置的高一些，而其他的权重设置的低一些。这便是attention机制。

四、seq2seq应用领域

1、机器翻译
机器翻译（Neural Machine Translation）是 NLP 中最经典的任务，也是最活跃的研究领域之一，Seq2Seq 提出之后，最早应用于 nmt 任务。当前，主流的在线翻译系统都是基于深度学习模型来构建的，包括 Google、百度等，整体效果取得了非常显著的进步（当然，在刚刚推出的时候还是有很多槽点的）。每年都有特别多的paper在 Seq2Seq 模型上提出一些改进方案。

2、文本摘要
文本摘要也是一个非常经典的 NLP 任务，应用场景非常广泛。我们通常将文本摘要方法分为两类，extractive 抽取式摘要和 abstractive 生成式摘要。前者是从一篇文档或者多篇文档中通过排序找出最有信息量的句子，组合成摘要；后者类似人类编辑一样，通过理解全文的内容，然后用简练的话将全文概括出来。
基于 Seq2Seq+attention 模型在 nmt 任务中的成功，2016 年有很多的工作都是套用 Seq2Seq+attention 来做 abstractive 摘要任务，取得了一定的突破。
3、对话生成
Seq2Seq 模型提出之后，就有很多的工作将其应用在 Chatbot 任务上，希望可以通过海量的数据来训练模型，做出一个智能体，可以回答任何开放性的问题；而另外一拨人，研究如何将 Seq2Seq 模型配合当前的知识库来做面向具体任务的 Chatbot，在一个非常垂直的领域（比如：购买电影票等）也取得了一定的进展。
4、其他
此外还有很多其他的应用，如诗词生成，风格转换，代码补全等，应用范围十分广泛。

（具体用seq2seq实现序列转化的代码请见下一篇文章）