NLP——机器翻译中的Transformer

框架

简介

Transformer就是一个升级版的Seq2Seq，也是由Encoder和Decoder组成。Transformer抛弃了以往深度学习任 务使用的CNN和RNN，整个网络结构完全是由Attention机制组成，更准确地说是由Self-Attention和Feed Forward Neural Network组成。由于Transformer的Attention（Self-Attention机制）将序列中的任意两个位置之间的距离缩小为一个常量，所以和RNN顺序结构相比具有更好的并行性，更符合现有的GPU框架，和CNN相比，具有直接的长距离依赖。Transformer模型被广泛应用于NLP领域，例如机器翻译，问答系统，文本摘要以及语音识别等。

Transformer结构

和经典的Seq2Seq模型一样，Transformer模型也采用了Encoder-Decoder结构。框架图的左半边用Nx框出来 的，就代表一层Encoder，Transformer一共有6层这样的结构。右半边用Nx框出来的则代表一层Decoder，同样也有6层。输入序列首先会转换为词嵌入向量，再与位置编码向量相加后可作为Multi-Head Attention模块的输入， 该模块的输出再与输入相加后将投入层级归一化函数，得出的输出再馈送到全连接层后可得出编码器模块的输出。这样相同的6个编码器模块可构成整个编码器架构。解码模块首先同样构建一个自注意力模块，然后再结合编码器的输出实现Multi-Head Attention，最后送入全连接网络并输出预测词概率。

Encoder

Transformer的Encoder由6层相同的层组成，每一层分别由两部分组成：
• 第一部分是multi-head self-attention
• 第二部分是position-wise feed-forward network，是一个全连接层 两个部分，都有一个残差连接（residual connection），然后接一个Layer Normalization

Decoder

Transformer的Decoder也是由6层相同的层组成，每一层分别由三部分组成：
• 第一部分是multi-head self-attention
• 第二部分是multi-head context-attention
• 第三部分是position-wise feed-forward network，是一个全连接层
和Encoder一样，上面三个部分，都有一个残差连接（residual connection），然后接一个Layer Normalization。 和self-attention不同的context-attention，其实就是普通的attention（Encoder和Decoder之间）。

Scaled Dot-Product Attention的结构图如下所示。 首先说下Q、K、V分别代表什么：
1）在Encoder的Self-Attention中，Q、K、V都来自同一个地方，它们是上一层Encoder的输 出。对于第一层Encoder，它们就是word embedding和positional encoding相加得到的输入。
2）在Decoder的Self-Attention中，Q、K、V也是来自于同一地方，它们是上一层Decoder的 输出。对于第一层Decoder，同样也是word embedding和positional encoding相加得到的输 入。但是对于decoder，我们不希望它能获得下一个time step（即将来的信息，不想让它 看到它要预测的信息），因此我们需要进行sequence masking。
3）在Encoder-Decoder attention中，Q来自于Decoder的上一层的输出，K和V来自于Encoder 的输出，K和V是一样的。
4）Q、K、V的维度都是一样的，分别用dQ、dK、dV来表示。

Scaled Dot-Product Attention

Step1:输入X，通过3个线性转换把X转换为Q、K、V。如下图，两个单词Thinking，Machines通过嵌入变换会得到两个[1x4]的向量X1,X2。分别与Wq,Wk,Wv三个[4x3]矩阵做点乘得到6个[1x3]向量{q1,q2},{k1,k2},{v1,v2}

Step2:向量{q1,k1}做点乘得到得分Score 112，{q1,k2}做点乘得到得分Score 96

Step3：对该得分就行规范，除以8.这样做的目的是为了使得梯度更稳定。之后对得分[14,12]做softmax得到比例[0.88,0.12]

Step4:用得分比例[0.88,0.12]乘以[v1,v2]值（Values）得到一个加权后的值。将这些值加起来得到z1。
Ps.用Q，K去计算一个thinking与thinking，machines的权重，用权重乘以thinking，machines的V得到加权后的thinking，machines的V，最后求和得到针对各个单词的输入Z。

Multi-Head Attention

理解了Scaled Dot-Product Attention，Multi-Head Attention也很容易理解。Transformer论 文提到将Q、K、V通过一个线性映射之后，分成h份，对每一份进行Scaled Dot-Product Attention效果更好。然后，把各个部分的结果合并起来，再次经过线性映射，得到最终的 输出。这就是所谓的Multi-Head Attention。这里的超参数h就是heads的数量，默认是8。 上面说的分成h份是在dQ、dK和dV的维度上进行切分。因此进入到Scaled Dot-Product Attention的dK实际上等于DK/h。 Multi-head attention的公式如下：

其中，

dmodel=512,h=8,所以在Scaled Dot-Product Attention里面的

所谓Multi-Head，就是多做几次同样的事情，同时参数不共享，然后把结果拼接（类似于 卷积神经网络中用不同的卷积核来提取特征）。

Layer Normalization

Normalization有很多种，但是它们都有一个共同的目的，那就是把输入转化成均值为0 方差为1的数据。在把数据送入激活函数之前进行Normalization，可以避免输入数据落在激 活函数的饱和区。Layer Normalization和Batch Normalization的区别如下图：

Batch Normalization的具体做法就是对每一小批数据，在批这个方向上做归一化，公式如下：

Layer Normalization是在每一个样本上计算均值和方差，而不是Batch Normalization那种在批方向计算均值和方差，公式如下：

Mask

Mask表示掩码，它对某些值进行掩盖，使其在参数更新时不产生效果。Transformer模型里 面涉及两种Mask，分别是padding mask和sequence mask，其中padding mask在所有的Scaled Dot- Product Attention里面都需要用到，而sequence mask只有在Decoder的Self-Attention里面用到。 Padding Mask：因为每个批次输入序列长度是不一样的，所以我们需要对输入序列进行补齐。具 体来说，就是在给较短的序列后面填充0。由于这些填充的位置其实是没什么意义的，所以 Attention机制不应该把注意力放在这些位置上，需要进行一些处理。具体做法就是把这些位置 的值加上一个非常大的负数（负无穷），这样的话，经过softmax，这些位置的概率就会接近0。 Sequence Mask：为了使得Decoder不能看到未来的信息，也就是对于一个序列，在t时刻，解码 器输出应该只能依赖于t时刻之前的输出，而不能依赖t之后的输出，因此就需要通过Sequence Mask把t之后的信息给隐藏起来。具体做法是产生一个上三角矩阵，上三角的值全为0，下三角 的值全为1，对角线也是1。把这个矩阵作用在每一个序列上，就可以达到目的。

Positional Embedding

到目前为止，Transformer结构还没有提取序列顺序的信息，这个信息对于序列而言非常重要，如果缺失 了这个信息，可能我们的结果就是：所有的词语都对了，但是无法组成有意义的语句（此时的Transformer就 相当于一个词袋模型）。为了解决这个问题，Transformer的作者使用了Positional Embedding：对序列中的词 语出现的位置进行编码。 在实现的时候使用正余弦函数。公式如下：

其中，pos是指词语在序列中的位置。可以看出，在偶数位置，使用正弦编码，在奇数位置，使用余弦 编码。从编码公式中可以看出，给定词语的pos，我们可以把它编码成一个dmodel的向量。也就是说，位置 编码的每一个维度对应正弦曲线，波长构成了从2π到10000X2π的等比数列。

上面的位置编码是绝对位置编码。但是词语的相对位置也非常重要。这就是论文为什么使用三角函数的 原因。正弦函数能够表达相对位置信息，主要数据依据是以下两个公式：

上面的公式说明，对于词汇之间的位置偏移k，PE（pos+k）可以表示成PE（pos）和PE（k）组合的形式， 相当于有了可以表达相对位置的能力。

Position-wise Feed-Forward Network

这是一个全连接网络，包含两个线性变换和一个非线性函数（实际上就是ReLU）。公式如下：

这个线性变换在不同的位置都表现地一样，并且在不同的层之间使用不同的参数。具体实现上用到了两 个一维卷积。其实FFN很简单，就是对一个输入序列（x0,x1,x2,……，xT），对每个xi都进行一次channel的 重组：512——>2048——>512，可以理解为对每个xi进行两次线性映射，也可以理解为对整个序列做一个 1*1的卷积。

Transformer优点

1.并行计算，提高训练速度
Transformer用attention代替了原本的RNN；而RNN在训练的时候，当前step的计算要依赖于上一 个step的hidden state的，也就是说这是一个sequential procedure，每次计算都要等之前的计算完成才能展开。而Transformer不用RNN，所有的计算都可以并行进行，从而提高训练速度。
2.建立直接的长距离依赖
原本的RNN，如果第一帧要和第十帧建立依赖，那么第一帧的数据要依次经过第二三四五…九帧传给第十帧，进而产生二者的计算。而在这个传递的过程中，可能第一帧的数据已经产生了 biased，因此这个交互的速度和准确性都没有保障。而在Transformer中，由于有self attention的存在，任意两帧之间都有直接的交互，从而建立了直接的依赖，无论二者距离多远。
3.捕捉层级化信息
构建多层神经网络
4.引入指代信息等丰富上下文信息
Self-attention，Multi-head attention