Encoder-Decoder和Seq2Seq

Encoder-Decoder 是 NLP 领域里的一种模型框架。它被广泛用于机器翻译、语音识别等任务。

本文将详细介绍 Encoder-Decoder、Seq2Seq 以及他们的升级方案Attention。

什么是 Encoder-Decoder ？

Encoder-Decoder 模型主要是 NLP 领域里的概念。它并不特值某种具体的算法，而是一类算法的统称。Encoder-Decoder 算是一个通用的框架，在这个框架下可以使用不同的算法来解决不同的任务。

Encoder-Decoder 这个框架很好的诠释了机器学习的核心思路：

将现实问题转化为数学问题，通过求解数学问题，从而解决现实问题。

Encoder 又称作编码器。它的作用就是「将现实问题转化为数学问题」

Decoder 又称作解码器，他的作用是「求解数学问题，并转化为现实世界的解决方案」

把 2 个环节连接起来，用通用的图来表达则是下面的样子：

关于 Encoder-Decoder，有2 点需要说明：

不论输入和输出的长度是什么，中间的「向量 c」长度都是固定的（这也是它的缺陷，下文会详细说明）
根据不同的任务可以选择不同的编码器和解码器（可以是一个 RNN ，但通常是其变种 LSTM 或者 GRU ）

只要是符合上面的框架，都可以统称为 Encoder-Decoder 模型。说到 Encoder-Decoder 模型就经常提到一个名词—— Seq2Seq。

什么是 Seq2Seq？

Seq2Seq（是 Sequence-to-sequence 的缩写），就如字面意思，输入一个序列，输出另一个序列。这种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。例如下图：

如上图：输入了 6 个汉字，输出了 3 个英文单词。输入和输出的长度不同。

Seq2Seq 的由来

在 Seq2Seq 框架提出之前，深度神经网络在图像分类等问题上取得了非常好的效果。在其擅长解决的问题中，输入和输出通常都可以表示为固定长度的向量，如果长度稍有变化，会使用补零等操作。

然而许多重要的问题，例如机器翻译、语音识别、自动对话等，表示成序列后，其长度事先并不知道。因此如何突破先前深度神经网络的局限，使其可以适应这些场景，成为了13年以来的研究热点，Seq2Seq框架应运而生。

「Seq2Seq」和「Encoder-Decoder」的关系

Seq2Seq（强调目的）不特指具体方法，满足「输入序列、输出序列」的目的，都可以统称为 Seq2Seq 模型。

而 Seq2Seq 使用的具体方法基本都属于Encoder-Decoder 模型（强调方法）的范畴。

总结一下的话：

Seq2Seq 属于 Encoder-Decoder 的大范畴
Seq2Seq 更强调目的，Encoder-Decoder 更强调方法

Encoder-Decoder 有哪些应用？

机器翻译、对话机器人、诗词生成、代码补全、文章摘要（文本 – 文本）

「文本 – 文本」是最典型的应用，其输入序列和输出序列的长度可能会有较大的差异。

Google 发表的用Seq2Seq做机器翻译的论文《Sequence to Sequence Learning with Neural Networks》

语音识别（音频 – 文本）

语音识别也有很强的序列特征，比较适合 Encoder-Decoder 模型。

Google 发表的使用Seq2Seq做语音识别的论文《A Comparison of Sequence-to-Sequence Models for Speech Recognition》

图像描述生成（图片 – 文本）

通俗的讲就是「看图说话」，机器提取图片特征，然后用文字表达出来。这个应用是计算机视觉和 NLP 的结合。

图像描述生成的论文《Sequence to Sequence – Video to Text》

Encoder-Decoder 的缺陷

上文提到：Encoder（编码器）和 Decoder（解码器）之间只有一个「向量 c」来传递信息，且 c 的长度固定。

为了便于理解，我们类比为「压缩-解压」的过程：

将一张 800X800 像素的图片压缩成 100KB，看上去还比较清晰。再将一张 3000X3000 像素的图片也压缩到 100KB，看上去就模糊了。

Encoder-Decoder 就是类似的问题：当输入信息太长时，会丢失掉一些信息。

Attention 解决信息丢失问题

Attention 机制就是为了解决「信息过长，信息丢失」的问题。

Ａttention 模型的特点是 Eecoder 不再将整个输入序列编码为固定长度的「中间向量Ｃ」，而是编码成一个向量的序列。引入了Ａttention 的 Encoder-Decoder 模型如下图：

这样，在产生每一个输出的时候，都能够做到充分利用输入序列携带的信息。而且这种方法在翻译任务中取得了非常不错的成果。

Attention 是一个很重要的知识点，想要详细了解 Attention，请查看《一文看懂 Attention（本质原理+3大优点+5大类型）》