11.Conditional Generation by RNN & Attention

outline

• Generation
• Attention
• Tips for Generation
• Pointer Network

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Generation

以下是使用RNN来生成句子的例子：

Tips：英文中的characters指的是：，words是 单词
中文中的characters指的是一个一个的字；words指的是词语，比如“葡萄”

RNN也可以用来生成图片：方法是将像素转化为句子，训练基于句子的语言模型

但是这个方法是有缺陷的，因为没有考虑到图像的几何关系，就比如下图：蓝色对下面灰色是有影响的，然而上一行的黄色对下一行的灰色是没有什么影响的。其实，如果使用的是RNN，在产生灰色的时候其实也已经考虑了前面所有的像素颜色，如果RNN 训练的够好，它可以学到三个像素之前的那个像素影响比较大。

一个比较理想的产生像素的方法是如右下角所示：

以下是一些其他的引用，比如说：

• 图像：
  • Aaron van den Oord, Nal Kalchbrenner, Koray Kavukcuoglu, Pixel Recurrent Neural Networks, arXiv preprint, 2016
  • Aaron van den Oord, Nal Kalchbrenner, Oriol Vinyals, Lasse Espeholt, Alex Graves, Koray Kavukcuoglu, Conditional Image Generation with PixelCNN Decoders, arXiv preprint, 2016
• 视频：
  • Aaron van den Oord, Nal Kalchbrenner, Koray Kavukcuoglu, Pixel Recurrent Neural Networks, arXiv preprint, 2016
• 手写体：
  • Alex Graves, Generating Sequences With Recurrent Neural Networks, arXiv preprint, 2013
• 语音：
  • Aaron van den Oord, Sander Dieleman, Heiga Zen, Karen Simonyan, Oriol Vinyals, Alex Graves, Nal Kalchbrenner, Andrew Senior,Koray Kavukcuoglu, WaveNet: A Generative Model for Raw Audio, 2016

Conditional Generation

但是只能用RNN 生成的东西仅仅是不够的，为什么呢？因为只用RNN生成的东西，比如一个句子，看起来是合乎文法的句子，但是你没有办法控制要说什么；很多场合，我们需要的不是一个句子，而是一个和场景有关的句子或者是我们想要machine说的句子。如下图所示：

基于这种情况，我们需要将问题或者是需要被翻译的句子的所有信息丢到网络中，得到对应的答案或者翻译结果，这样的思想就是Encoder／Decoder思想，换句话说，就是我们的Seq2Seq。
首先，我们把问题或者需要被翻译的句子通过一个RNN或者LSTM进行Encoder，最后一个的输出就包含了这个句子的全部信息，然后我们把这个句子当作初始输入丢到另一个RNN或者LSTM中，然后通过这个得到对应的输出。

同样的方法，我们可以拿来做其他事情，比如：机器翻译/对话机器人等等。

考虑更长久的文本内容：

Attention——Dynamic Conditional Generation

机器翻译

我们以机器翻译作为例子：

基于注意力的模型：

• 输入一个经过RNN 处理的句子，每一个时间点每一个词汇都可以用一个vactor进行表示，这个vector就是RNN的隐藏层的输出；
• 接下来，有一个初始的vector ,可以当作network的初始参数，可以根据训练数据学习出来。
• 如上图所示，我们有个函数，我们把和丢进去，得到，上标的意思是是和算匹配度，下标的意思是在时间为0的时候算相匹配的程度。函数可以自己设计。
• 举例来说：
  ①可以说其实是算和的Cosine similarity ；
  ②也可以说其实是一个神经网络，输入是和的连接，输出就是一个scalar；
  ③也可以说里面有一个参数，是一个matrix，是被学出来的，把和相乘，再乘以，会得到一个scalar :,即；
  如果里面有参数的话，那么会跟network里面的其他部分一起学出来。

接下来，我们把得到的

和

丢进去

，得到

同理，得到：

、

重复这个生成的过程：

我们也可以把这个技术应用到语音识别当中：输入声音讯号，算match score，丢进去decoder；

Image Caption Generation 图像标题生成

那么在图像标题生成中怎么加上基于Attention的模型呢？如果image用一个vector来做是没法描述的，所以你可以用一组vector来进行描述：

如下图所示，假设这个图象是由六个vector描述的话，先算出来和第一个filter的匹配分数，假设为0.7；

同时，在算出其他的匹配分数，做加权和，然后丢进去RNN里面，得到第一个单词：

同理：

以下是从一些文献中找出来的结果：这个图怎么看呢？

下面是machine看到图片以后产生的句子，右边这个图亮的地方是machine在产生画底线的那个词的时候Attend的位置。以下是一些好的例子：

以下是一些不好的失败的例子：

Memory Network

Memory Network是在memory上面做attention，Memory Network最开始也是最常见的应用是在阅读理解上面，如下图所示：一篇文章，有问题，肯能不能生成答案，文章里面有很多句子组成，每个句子表示成一个vector，假设有个句子，向量表示成，问题也用一个向量描述出来，接下来算问题与句子的匹配分数，然后做加权和，然后丢进去DNN里面，最后就可以得到答案了。

Memory Network有一个更复杂的版本，这个版本是这样的，算match的部分跟抽取infromation的部分不见得是一样的，如果他们是不一样的，其实你可以得到更好的performance。把文档中的同一句子用两组向量表示；对这一组vector算Attention，但是它是用这一组向量来表示infromation，把这些Attention乘以的加和得到提取的信息，放入DNN，得到答案。Hopping是指的是反复进行。

上图中 Hopping是指的是反复进行运算，我们可以任认为machine在反复思考答案对不对。下面我们用下图来进一步解释一下 Hopping：
如下图所示，我们用蓝色的vector计算attention，用橙色的vector做提取information。蓝色和蓝色，橙色和橙色的vector不一定是一样的。以下是两次加和后丢进去DNN得到答案。所以整件事情可以看作两个layer的神经网络。

Neural Turing Machine

刚刚讲的Memory Network是在memory上面做attention，然后从memory里面把information抽取出来，然而 Neural Turing Machine不仅仅从memory里抽取information，他还可以根据你的match score去修改存在memory里面的内容（具备读和写的功能）如下图：

怎么去实现这个呢？

• 首先，有一组memory，即一组vector序列

• 接下来，有一组初始的attention的weight，，

• 根据初始的attention的weight和memory的vector序列，可以提取出information，得到vector ，把它交给另外一个神经网络，即一个函数，你可以任意设计这个函数，然后这个会输出几个vector，他们会去操控memory；

• 的作用就是用来产生attention的，把它与做cosine similarity，得到四个match score，接下来，在做softmax，就可以得到新的attention的distribution了。

  
  
  其实这是一个简化再简化的版本，真正的Neural Turing Machine它从加产生attention的步骤有五步：
  

• 我们产生了attention之后，另外两个vector ，就回去修改memory中的值， 的作用是把原来memory里面的值清空； 的作用是要把新的值写进去。怎么去做呢?用这个公式：
  

  

• 接下来，根据中间的四个vector 可以得到，然后加上新的人输入，然后就可以得到新的输出；
  注意：这个函数可以是recurrent network，前一个时间点的不止会输出control memory的那些vector，他还会输出另外一个vector ，丢进去下一个中，产生操控memory的参数
  

  

Tips for Generation

接下来要讲training，如果要产生句子的时候有哪些技巧。
举例来说我们今天要做vedio的generation，我们给machine看一段如下的视频，如果你今天用的是Attention-based model的话，那么machine在每一个时间点会给vedio里面的每一帧(每一张image)一个attention，那我们 用来代表attention，上标代表是第个component，下标代表是时间点。那么下标是1的四个会得到,下标是2的四个会得到,下标是3的四个会得到,下标是4的四个会得到。

但是可能会有Bad Attention，如下图所示，举个例子，在得到第二个词的时候，attention(柱子最高的地方)主要在woman那儿，得到第四个词的时候，attention主要也在woman那儿，这样子得到的就不是一个好句子。

一个好的attention应该cover input所有的帧，而且每一帧的cover最好不要太多。最好的是：每一个input 组件有大概相同attention 权重。举一个最简单的例子，在本例中，希望在处理过程中所有attention的加和接近于一个值： ,这里的 是类似于learning rate的一个参数。用这个正则化的目的是可以调整比较小的attention，使得整个的performance达到最好。

Mismatch between Train and Test

你可能觉得生成一个句子听起来没什么，但是里面其实有很多枝枝节节的技巧是你没有发掘出来的。你有没有发现在training和testing的时候是有一个mismatch的？
在training的时候：假设我们有个句子叫做，那我们希望说machine在第一时间点越接近A越好，加一个粉色的condition，第一时间点RNN要输出A，同理，如下图所示：

上面需要做的就是 minimize这三个()交叉熵的和

那么想想看在generation的时候会怎么做？
假设世界上只有两个word ，这样子能简化我们的图示。我们来看产生的第一个词，颜色越深代表几率越大，所以产生B的几率更大，machine输出B；
我们再生成的时候，不知道reference，Testing的时候:模型的输出是下一步的输入；Training的时候 输入就是reference.

这听起来貌似没有什么，但是下面会告诉大家这件事情的影响。
如下图所示：上面这个case是training的时候，你直接把正确答案接下来； 下面这个case是testing的时候，你把machine的output接到下一个时间点；到底有何不同呢？

我们先来看上面这个case，我们用一个树状图来表示这个RNN，最下面的root是我们初始的state，输出哪个就走哪个路径，在training的时候根据reference我们正确的走法：

在上面提到过，在使用RNN生成句子的时候，通过初始的输入得到生成的第一个词，然后把这个词当作下一次的输入得到第二个词，依次类推，那么问题就来了，当这个序列中有一个词错误的时候，那么其实后面的整个句子序列就错了，就是所谓的一步错，步步错。

那么我们如何来解决这个一步错，步步错的问题呢？

Scheduled Sampling

Scheduled Sampling通过修改我们的训练过程来解决上面的问题，一开始我们只用真实的句子序列进行训练，而随着训练过程的进行，我们开始慢慢加入模型的输出作为训练的输入这一过程。

解释：我们纠结的点就是到底下一个时间点的input到底是从模型的output来呢，还是从reference来呢？这个Scheduled Sampling方法就说给他一个几率，几率决定以哪个作为input，以下是形象的图示：

几率的设计是这样的：指数衰退、反转sigmoid衰退、线性衰退；很明显，如上图右上角所示：这个几率是下降的，纵轴是reference的几率。一开始我们只用真实的句子序列（reference）进行训练，而随着训练过程的进行，我们开始慢慢加入模型的输出作为训练的输入这一过程。如果这样train的话，就可能得到更好的效果:

Beam Search

Beam Search方法不再是只得到一个输出放到下一步去训练了，我们可以设定一个值，拿多个值放到下一步去训练，这条路径的概率等于每一步输出的概率的乘积，大家看下面的图就很容易理解Beam Search的过程啦。

Beam Search方法是指在某个时间只pick几个分数最高的路径；选择一个beam size，即选择size个路径最佳。

下一张图是如果使用beam search的时候，应该是怎么样的；
假设世界上只有三个词

和一个代表句尾的符号

，我们选择size=3，每一步都选最佳的三条路径。

我们的猜测如下：右边的结果不好：
如下图所示：对于左边，高兴和难过的几率几乎是一样的，所以我们现在选择高兴丢进去，后面接想笑的几率会很大；
对于右边，高兴和难过的几率几乎是一样的，想笑和想哭的几率几乎是一样的，那么就可能出现高兴想哭和难过想笑这样的输出。

对象级别和组件级别
我们现在要生成的是整个句子，而不是单一的词语，所以我们在考量生成的结果好不好的时候，我们应该看一整个句子，而不是看单一的词汇。举例来说，这张图是说：The dog is running fast； 我们一般训练的时候使用的都是交叉熵加和作为loss，如下：纵轴就是交叉熵，横轴就是training的时间；第二个和第三个的句子loss十分小，因此要一直train，一直train；

Reinforcement learning

下面是一些paper里面的效果：
如下图纵轴是相对传统方法的差异：

另外一张图：比较

Pointer Network

什么是Pointer Network？

Pointer Network最早是用来解决演算法(电脑算数学的学问)的问题。
举个例子：如下图所示，给出十个点，让你连接几个点能把所有的点都包含在区域内。拿一个NN出来，它的input就是10个坐标，我们期待它的输出是
，就可以把十个点圈起来。那就要准备一大堆的训练数据；

这个 Neural Network 的输入是所有点的坐标，输出是构成凸包的点的合集。

如何求解Pointer Network？

输入一排sequence，输出另一个sequence，理论上好像是可以用Seq2Seq解决的。那么这个 Network 可以用 seq2seq 的模式么？
答案是不行的，因为，我们并不知道输出的数据的多少。更具体地说，就是在 encoder 阶段，我们只知道这个凸包问题的输入，但是在 decoder 阶段，我们不知道我们一共可以输出多少个值。举例来说就是，第一次我们的输入是 50 个点，我们的输出可以是 0-50 (0 表示 END)；第二次我们的输入是 100 个点，我们的输出依然是 0-50, 这样的话，我们就没办法输出 51-100 的点了。

为了解决这个问题，我们可以引入 Attention 机制。
引入 Attention 机制，让network可以动态决定输出有多大。现在用Attention模型把这个sequence读取进来，第1-4个点,在这边我们要加一个特殊的点，代表END的点。
接下来，我们就采用我们之前讲过的attention-based model，初始化一个key，即为，然后用这个key去做attention-based model，用对每一input做attention，每一个input都产生有一个Attention Weight，举例来说，在这边attention的weight是0.5，在这边attention的weight是0.3，在这边attention的weight是0.2，在这边attention的weight是0，在这边attention的weight是0.0。这个attention weight就是我们输出的distribution，我们根据这个weight的分布取argmax，在这里，我取到，然后得到下一个key,即；同理，算权重，取argmax，得到下一个key,即，循环以上。以下是原理图：

应用——总结(Summarization)

我们先来看:

更多的应用：

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