使用框嵌入(box embedding)进行细粒度实体类型识别

1、研究出发点

本次分享一篇有关embedding的文章，来自2021年ACL的paper《Modeling Fine-Grained Entity Types with Box Embeddings》,其核心是提出了一种box embedding的方法来进行实体类型(entity type)识别。研究的动机可以从下面图来说明：

即主流的方法都是采用vector-based的方法，将mention及其所在的文本和所有类别标签表征成向量，然后采用multi-label classification的方法逐个判断是否属于某个实体类型。这类方法会存在一个缺陷就是：表征出来的向量虽然可以用相似性去判断，但区别不了层次性信息，如很难判断"Person","Author","Politican"这三个标签是谁父类，谁是子类，或者二者是否有交叉的关系。基于该问题，论文提出box embedding的表征方法，把任务对象都用超矩形(hyperrectangle)来表征，这样可以用矩形是否包含，是否重叠来识别其归属和层级性关系。

在这里，也许有人会有疑问：在很多该任务场景下，实体类型集合的层级信息(树状结构)都是事先可以知道的，不用去学习。所以，这里要说明下，论文的box embedding是应用在事先不知道label的层级信息的场景，希望用其去学习实体类型集合潜在的层级信息。

此外，box embedding还有特性就是：可以用矩形(盒子)的体积来衡量一个mention是否属于某个type的概率。

2、Box Embedding 介绍

2.1 关于box embedding定义

一个box 可以用两个点来表示 ，两个点分别为矩形最小角和最大角，即满足 ，其中 ，代表坐标维度。关于一个box 的体积可以这样计算：

文中将盒子空间的体积归一化为1，将每个盒子的体积解释为一个mention在给定实体类型的边际概率。此外，对于两个盒子 ,将其重叠的体积定义为：

若 视为mention的box embedding， 视为type的box embedding，则可以将识别任务转换成条件概率

2.2 基于box embedding的Multi-label Type Classifier

有了box embedding定义，接着介绍基于此如何做mention type classification。首先说下输入和输出形式：
and , 其中 为输入mention， 为mention所在的文本， 为type label， 为所有type label集合。

假设输入的(s,m)元组得到对应box embedding 为 ，所有type label得到对应的box embedding 为
，则 预测 是否属于type label 可表示为条件概率：

这样就把识别任务转化多标签识别任务，当 >0.5 时，就认为属于该类型标签。其思路如下图。

2.3 如何计算条件概率

基于前面的介绍，识别任务变成如何计算公式(3)，即定义的条件概率。再考虑该问题时，需要分几步来实现。

首先，如何得到box embedding 。

关于box embedding ，论文采用初始化的方式，先定义一个中心向量 和 ，则box 的最小角和最大角可按下列计算：

激活函数softplus是为max函数的平滑表示，有利于反向传播计算。为何按上述定义来计算两个角的坐标？这里我理解的是：若按二维，c为矩阵的对角线中心点，o可认为是半径，两个角刚好为+-的关系，而softplus保证计算的是最长对角线，还可以保证结果不为0， 让向量都取值范围限定在[0,1]范围，这样保证计算的体积<=1并>0。

关于 box embedding ，论文利用BERT进行编码，输入形式为：x = [CLS] [SEP] [SEP]，得到表征向量 ，接着进行一层映射得到向量 ，再将其拆分成中心向量和偏移向量 ，这样 box 的向量就可以按公式(4)来计算出来。

有了对应的box embedding ，现在就剩计算公式(3)中分子与分母项。其实按公式(1)（2）可以计算出分子与分母的结果。但文中作者指出原始的计算方式(按max，min)会导致数据过于稀疏，不利于反向传播学习。为此，论文采用Gumbel distributions来计算box的最小角与最大角坐标，视为一种soft box计算方式，并由此来重新计算box的体积，其定义为:

其中 为学习的变量， 为欧拉常数，取值为0.5772。此外，将两个盒子 ,将其重叠的体积 重新定义为

这样，公式(3)的分母与分子计算方式就可以按公式(5),(6)的方式来计算，整体计算逻辑也就如上。若想搞清公式(5),(6)的计算原理，需要进一步查阅Gumbel distributions，这里我就“囫囵吞枣”了。

2.4 关于损失函数

关于训练的损失函数就是正常的binary cross-entropy，如下所示。

3、实验部分

文中选了4个mention type classification的分类的数据集： UltraFine Entity Typing (UFET), OntoNotes, FIGER, and BBN。

下图是显示在UFET数据集上实验结果：

下图为在其他三个数据上的结果：

下图为展示“person”“actor”在box embedding可视化效果。可以看出在不少维度上，"person"是包含"actor"的，但并不是所有。说明box embedding在学习潜在层级关系信息上是有效的，但还没达到绝对理想的地步。

4、结尾

本次分享box embedding的缘由是觉得该方法在学习潜在的层级信息上有借鉴或启发的意义，尽管实验结果展示其有效，但并不是惊艳，但觉得该框架下仍有继续优化的空间。个人觉得有两点，(1)关于box的定义就用最小角和最大角来表示，感觉过于简化；(2)在体积和重叠体积计算上，也可尝试新的计算方式。此外，在其他任务场景，像multi-label classification也可以尝试下该方法。

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