基于双向LSTM的影评情感分析算法设计学习记录

引言

需求分析，技术可行性（目前的研究进度），主流怎么做？我要如何做？
随着互联网技术的飞速发展及联网的便捷，越来越多的人在网上表达自己的意见。其中，电影评论受到广泛关注。很多人选择在闲暇时间观看电影，选择哪一部电影则常常受到网上评论的影响。然而电影评论主观性较强，个体化倾向明显，单个评论不具备可参考性，因此需要对大量的影评进行综合性的情感分析。
情感分析是自然语言处理领域的一个重要分支。在社交媒体中，评论文本的数量呈指数级增长，必须采用智能处理方式。目前的情感分析主要是基于机器学习的方法，基于CNN（Convolutional Neural Network，卷积神经网络）、RNN（Recurrent Neural Network，循环神经网络）等神经网络的处理比传统的方法取得了更高的准确率。文本分析属于典型的时序数据处理问题，因此本文采用改进的RNN网络BiL-STM（Bidirectional Long-short Term Memory Network，双向长短时记忆网络）对电影评论进行情感分析。

模型介绍

LSTM及BiLSTM

指出RNN的缺陷：
RNN一般用来处理序列信息，在文本、语音、视频等具有上下文关联的应用场景中精度很高。其展开结构如图 1 所示。但是RNN会面临梯度消失和梯度爆炸的问题，这将导致长时依赖丢失。为解决这个问题，LSTM网络对RNN进行了改进。

提出RNN变体LSTM
LSTM 由遗忘门、输入门和输出门三个控制门组成，如图2所示。遗忘门控制上一时刻的单元状态Ct-1有多少保留到当前状态Ct，输入门控制当前时刻的网络输入Xt有多少保存到单元状态Ct，输出门控制单元状态Ct有多少输出
到LSTM网络的当前输出ht。图2中σ表示sigmoid函数，其取值范围是[0-1]，决定了门控制器能够通过信息的比例。sigmoid取值为1时，表示所有信息都能通过，完全保留这一分支的记忆，取值为0时，表示没有信息能够通过，即所有信息全部遗忘。LSTM网络的主要计算公式如下：

ft = σ ( wt ⋅[ ht - 1,xt] + bf ) (1)
it = σ ( wi ⋅[ ht - 1,xt] + bi) (2)
c’t = tanh( wc ⋅[ ht - 1,xt] + bc) (3)
ct = ft × ct - 1 + it × c’t (4)
ot = σ ( wo ⋅[ ht - 1,xt] + bo) (5)
ht = ot × tanh( ct) (6)

再次指出LSTM的缺陷，提出自己的想法：BiLSTM
从图2可以看到，LSTM网络只能利用前文信息。例如句子“我吃苹果”，处理分词“吃”时，LSTM只考虑前一个分词“我”，这显然是不够的，其后面的分词“苹果”对吃具有更重要的影响。双向LSTM应运而生，BiLSTM从两个方向同时读取文本，这样就可以充分利用当前时刻数据的所有上下文信息。

如图 3 所示 ，BiLSTM 构建了两个方向相反的LSTM层，正向计算时，t时刻的隐藏状态与t-1时刻有关，反向计算时，与t+1时刻有关，网络的最终隐藏状态向量由两个方向的隐藏状态组合生成。组合方式可拼接、加权求和或求平均。设X2为当前时刻的输入单元，A2为正向传播通道上该单元的隐藏状态，由前一时刻的隐藏状态 A1和当前输入 X2共同决定，A2＇是反向传播通道上的隐藏状态，由下一时刻的隐藏状态A3＇和X2共同决定，输出y2是A2和A2＇加权和
的函数。
BiLSTM的实现方法非常简单[6]。**只需堆叠两层LSTM，其中一层将数据集原样输入，相当于按正向传递信息。另一层则将数据集翻转后输入，按反向传递信息。**例如处理数字序列“1、2、3、4”，正向传播层接收数据本身，反向传播层接收“4、3、2、1”，即可同时有效提取过去和未来的上下文信息。

Dropout机制

对于规模大、训练参数较多的神经网络来说，非常容易发生过拟合现象。过拟合是指模型在训练数据上损失函数小，预测准确率高，但是在测试数据上损失函数大，预测准确率低，也就是模型的泛化能力太差。最初解决过拟合问题的
方法是训练多个模型做组合，但这也带来了模型过于复杂和费时的问题。受此启发，Hinton 等人在 2012 年推出了 Standard Dropout 方法 ，之后 Dropout 又发展出了多个变种。Dropout是指在规模较大的神经网络的训练过程中，对于神经网络单元，按照一定的概率将其暂时从网络中丢弃，如图4所示。每轮迭代训练时，都按一定的概率抛弃不同的神经元，这就相当于在一个网络上同时训练了多个模型，提高了泛化能力，能够有效抑制过拟合。抛弃神经元的概率不宜过大，否则会造成重点特征丢失，一般设置在 0.3~0.5 之间。Dropout机制最初用在密集度较大的深度神经网络，但后来发现在卷积和循环神经网络中作用也很显著。

算法设计及实验结果

模型搭建

本实验的算法设计基于Keras平台实现，模型搭建如图4所示。首先是Embedding层，该层负责将文本数据转化为单词向量，为防止过拟合，其上叠加Dropout层，然后是BiLSTM层，也叠加Dropout，最后通过Sigmoid层进行情感分类。

数据集划分

本文采用IMDB电影评论数据集，该数据集包含5万条电影评论，一半划分为训练数据，一半划分为测试数据。每条数据根据正、负面倾向标注“positive”和“negative”。由于每条评论的单词数量不等，统一预处理为400个单词，即超过
400个单词进行截断，不足400的填零补足。字典大小设置为 4000。Embedding 层的输出设置为 36，即每个单词通过Embedding转化为36维的密集向量。模型中各参数设置如表1所示。

模型训练与对比实验

模型训练采用二进制交叉熵binary crossentropy作为损失函数，优化器选用Adam算法。为了对比，实验共进行了三次，第一次为上述模型 BiLSTM 加 Dropout，第二次仅使用BiLSTM，不采用 Dropout，第三次仅使用单向 LSTM。每个epoch 的损失率和准确率曲线如图 5 所示。最后一个 epoch
的具体数据如表 2 所示。另外，进行了基于单向LSTM 的 IMDB 数据集的分析实验并与其他算法进行了比较，如表3所示。从测试数据集的分析效果来看，本算法的BiLSTM加Dropout的效果是最好的。

结语

本文实验表明，BiLSTM 结合 Dropout 机制的算法在电影评论情感分析的应用中准确率很高。但来自各种网站的评论数据有表达不完善、不准确等复杂问题，本实验将进一步完善算法的先进性，提高分析准确率。IMDB数据集是较为标准的英文电影评论数据集，下一步工作可以分析中文数据集、在豆瓣等社交网络爬取数据，制作更加广泛和贴近真实的电影评论数据集，验证算法的实际应用效果。另外，本文也验证了BiLSTM处理时序数据的有效性，下一步工作也将探索该算法在复杂文本、语音、视频处理等领域的应用。