动手学 Task04：机器翻译及相关技术；注意力机制与Seq2seq模型；Transformer

机器翻译和数据集

机器翻译（MT）：将一段文本从一种语言自动翻译为另一种语言，用神经网络解决这个问题通常称为神经机器翻译（NMT）。 主要特征：输出是单词序列而不是单个单词。 输出序列的长度可能与源序列的长度不同。
Encoder-Decoder¶

Sequence to Sequence模型¶


Beam Search¶

完整代码：

import sys
sys.path.append('/home/kesci/input/d2l9528/')
import collections
import d2l
import zipfile
from d2l.data.base import Vocab
import time
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch.utils import data
from torch import optim

with open('/home/kesci/input/fraeng6506/fra.txt', 'r') as f:
      raw_text = f.read()
print(raw_text[0:1000])



def preprocess_raw(text):
    text = text.replace('\u202f', ' ').replace('\xa0', ' ')
    out = ''
    for i, char in enumerate(text.lower()):
        if char in (',', '!', '.') and i > 0 and text[i-1] != ' ':
            out += ' '
        out += char
    return out

text = preprocess_raw(raw_text)
print(text[0:1000])

num_examples = 50000
source, target = [], []
for i, line in enumerate(text.split('\n')):
    if i > num_examples:
        break
    parts = line.split('\t')
    if len(parts) >= 2:
        source.append(parts[0].split(' '))
        target.append(parts[1].split(' '))
        
source[0:3], target[0:3]

d2l.set_figsize()
d2l.plt.hist([[len(l) for l in source], [len(l) for l in target]],label=['source', 'target'])
d2l.plt.legend(loc='upper right');

def build_vocab(tokens):
    tokens = [token for line in tokens for token in line]
    return d2l.data.base.Vocab(tokens, min_freq=3, use_special_tokens=True)

src_vocab = build_vocab(source)
len(src_vocab)

def pad(line, max_len, padding_token):
    if len(line) > max_len:
        return line[:max_len]
    return line + [padding_token] * (max_len - len(line))
pad(src_vocab[source[0]], 10, src_vocab.pad)

def build_array(lines, vocab, max_len, is_source):
    lines = [vocab[line] for line in lines]
    if not is_source:
        lines = [[vocab.bos] + line + [vocab.eos] for line in lines]
    array = torch.tensor([pad(line, max_len, vocab.pad) for line in lines])
    valid_len = (array != vocab.pad).sum(1) #第一个维度
    return array, valid_len

def load_data_nmt(batch_size, max_len): # This function is saved in d2l.
    src_vocab, tgt_vocab = build_vocab(source), build_vocab(target)
    src_array, src_valid_len = build_array(source, src_vocab, max_len, True)
    tgt_array, tgt_valid_len = build_array(target, tgt_vocab, max_len, False)
    train_data = data.TensorDataset(src_array, src_valid_len, tgt_array, tgt_valid_len)
    train_iter = data.DataLoader(train_data, batch_size, shuffle=True)
    return src_vocab, tgt_vocab, train_iter
    
src_vocab, tgt_vocab, train_iter = load_data_nmt(batch_size=2, max_len=8)
for X, X_valid_len, Y, Y_valid_len, in train_iter:
    print('X =', X.type(torch.int32), '\nValid lengths for X =', X_valid_len,
        '\nY =', Y.type(torch.int32), '\nValid lengths for Y =', Y_valid_len)
    break
class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(Encoder, self).__init__(**kwargs)

    def forward(self, X, *args):
        raise NotImplementedError
class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(Decoder, self).__init__(**kwargs)

    def init_state(self, enc_outputs, *args):
        raise NotImplementedError

    def forward(self, X, state):
        raise NotImplementedError
class EncoderDecoder(nn.Module):
    def __init__(self, encoder, decoder, **kwargs):
        super(EncoderDecoder, self).__init__(**kwargs)
        self.encoder = encoder
        self.decoder = decoder

    def forward(self, enc_X, dec_X, *args):
        enc_outputs = self.encoder(enc_X, *args)
        dec_state = self.decoder.init_state(enc_outputs, *args)
        return self.decoder(dec_X, dec_state)

注意力机制与Seq2seq模型

注意力机制
在“编码器—解码器（seq2seq）”⼀节⾥，解码器在各个时间步依赖相同的背景变量（context vector）来获取输⼊序列信息。当编码器为循环神经⽹络时，背景变量来⾃它最终时间步的隐藏状态。将源序列输入信息以循环单位状态编码，然后将其传递给解码器以生成目标序列。然而这种结构存在着问题，尤其是RNN机制实际中存在长程梯度消失的问题，对于较长的句子，我们很难寄希望于将输入的序列转化为定长的向量而保存所有的有效信息，所以随着所需翻译句子的长度的增加，这种结构的效果会显著下降。
与此同时，解码的目标词语可能只与原输入的部分词语有关，而并不是与所有的输入有关。例如，当把“Hello world”翻译成“Bonjour le monde”时，“Hello”映射成“Bonjour”，“world”映射成“monde”。在seq2seq模型中，解码器只能隐式地从编码器的最终状态中选择相应的信息。然而，注意力机制可以将这种选择过程显式地建模。

注意力机制框架¶


不同的attetion layer的区别在于score函数的选择，在本节的其余部分，我们将讨论两个常用的注意层 Dot-product Attention 和 Multilayer Perceptron Attention；随后我们将实现一个引入attention的seq2seq模型并在英法翻译语料上进行训练与测试。
点积注意力¶

多层感知机注意力¶

引入注意力机制的Seq2seq模型


注意力机制的理解：
参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/46040939

Encoder-Decoder框架在序列到序列模型中有很广泛的应用。但该框架有个潜在的问题就出在编码器产生的源语言上下文向量c上了，一般来说c向量具有两个局限性，第一个是当输入序列很长的时候，通过循环网络产生的c向量很难表达整句的信息，而是偏向于表达离序列结尾近的信息；另一方面，由于在机器翻译的过程中，需要明确目标语言词汇与源语言词汇的大致对应关系，这样如果所有的解码都用同一个上下文c向量，就很难表现出源语言词汇的具体贡献情况，因此引入了一个现在非常流行的方法——注意力(Attention)机制。
要解决c向量引发的问题，最自然的想法是让固定的c“动”起来，也就是在解码的过程中每个时刻待拼接的c向量是不同的，是随着解码过程中的需要不断变化的。此时c向量的生成过程如图3所示。


总结：
decoder的前一时刻的隐藏层状态为query，query和encoder的每一时刻的隐藏层状态进行计算，计算出encoder中每一个隐藏层状态的权重，（需要经过softmax）。最后计算context变量。

Transformer

为了整合CNN和RNN的优势，[Vaswani et al., 2017] 创新性地使用注意力机制设计了Transformer模型。该模型利用attention机制实现了并行化捕捉序列依赖，并且同时处理序列的每个位置的tokens，上述优势使得Transformer模型在性能优异的同时大大减少了训练时间。
图10.3.1展示了Transformer模型的架构，与9.7节的seq2seq模型相似，Transformer同样基于编码器-解码器架构，其区别主要在于以下三点：
Transformer blocks：将seq2seq模型重的循环网络替换为了Transformer Blocks，该模块包含一个多头注意力层（Multi-head Attention Layers）以及两个position-wise feed-forward networks（FFN）。对于解码器来说，另一个多头注意力层被用于接受编码器的隐藏状态。
Add and norm：多头注意力层和前馈网络的输出被送到两个“add and norm”层进行处理，该层包含残差结构以及层归一化。
Position encoding：由于自注意力层并没有区分元素的顺序，所以一个位置编码层被用于向序列元素里添加位置信息。

多头注意力层¶

基于位置的前馈网络¶

Transformer 模块另一个非常重要的部分就是基于位置的前馈网络（FFN），它接受一个形状为（batch_size，seq_length, feature_size）的三维张量。Position-wise FFN由两个全连接层组成，他们作用在最后一维上。因为序列的每个位置的状态都会被单独地更新，所以我们称他为position-wise，这等效于一个1x1的卷积。

Add and Norm

除了上面两个模块之外，Transformer还有一个重要的相加归一化层，它可以平滑地整合输入和其他层的输出，因此我们在每个多头注意力层和FFN层后面都添加一个含残差连接的Layer Norm层。这里 Layer Norm 与7.5小节的Batch Norm很相似，唯一的区别在于Batch Norm是对于batch size这个维度进行计算均值和方差的，而Layer Norm则是对最后一维进行计算。层归一化可以防止层内的数值变化过大，从而有利于加快训练速度并且提高泛化性能。 (ref)

位置编码

与循环神经网络不同，无论是多头注意力网络还是前馈神经网络都是独立地对每个位置的元素进行更新，这种特性帮助我们实现了高效的并行，却丢失了重要的序列顺序的信息。为了更好的捕捉序列信息，Transformer模型引入了位置编码去保持输入序列元素的位置。

编码器

我们已经有了组成Transformer的各个模块，现在我们可以开始搭建了！编码器包含一个多头注意力层，一个position-wise FFN，和两个 Add and Norm层。对于attention模型以及FFN模型，我们的输出维度都是与embedding维度一致的，这也是由于残差连接天生的特性导致的，因为我们要将前一层的输出与原始输入相加并归一化。

解码器

Transformer 模型的解码器与编码器结构类似，然而，除了之前介绍的几个模块之外，编码器部分有另一个子模块。该模块也是多头注意力层，接受编码器的输出作为key和value，decoder的状态作为query。与编码器部分相类似，解码器同样是使用了add and norm机制，用残差和层归一化将各个子层的输出相连。