读书笔记：多Transformer的双向编码器表示法(Bert)-4

多Transformer的双向编码器表示法

Bidirectional Encoder Representations from Transformers，即Bert；

第二部分 探索BERT变体

从本章开始的诸多内容，以理解为目标，着重关注对音频相关的支持（如果有的话）；

BERT变体：ALBERT、RoBERTTa、ELECTRA、SpanBERT、基于知识蒸馏；

• ALBERT，A Lite version of BERT，意为BERT模型的精简版；它对BERT的架构做了一些改变，以尽量缩短训练时间；

• RoBERTTa，Robustly Optimized BERT Pretraining Approach，意为稳健优化的BERT预训练方法，是目前比较流行的BERT变体，被应用到许多先进系统，其工作原理与BERT类似，但预训练步骤商有一些变化；

• ELECTRA，Efficiently Learning an Encoder that Classifies Token Replacements Accurately，意为高效训练编码器如何准确分类替换标记，特别的ELECTRA使用一个生成器（generator）和一个判别器（discriminator），并使用替换标记检测这一新任务进行预训练；

• SpanBERT，它被广泛应用于问答任务和关系提取任务；

ALBERT

《ALBERT：A Lite BERT for Self-supervised Learning of Language Representations》

BERT-base有1.1亿个参数，这使得它很难训练，且推理时间较长；

ALBERT的参数量更少，它通过：跨层参数共享、嵌入层参数因子分解，来减少参数量；

这两种方式可以有效缩短BERT模型训练时间和推理时间；

跨层参数共享

我们知道BERT-base由12层编码器组成，所有编码器层的参数将通过训练获得，但在跨层参数共享的情况下，不是学习所有编码器层的参数，而是只学习第一层编码器的参数，然后将第一层编码器的参数与其他所有编码器层共享；

应用跨层参数共享时的几种方式：

• 全共享：其他编码器的所有子层共享编码器1的所有参数（默认所使用的）；
• 共享前馈网络层：只将编码器1的前馈网络层的参数与其他编码器的前馈网络层共享；
• 共享注意力层：只将编码器1的多头注意力层的参数与其他编码器的多头注意力层共享；

嵌入层参数因子分解

BERT使用WordPiece词元分析器创建WordPiece标记，WordPiece标记的嵌入大小被设定为与隐藏层嵌入的大小（特征大小）相同，但WordPiece嵌入式无上下文信息的特征，它是从词表的独热（one-hot）编码向量中习得的，而隐藏层嵌入是由编码器返回的有上下文信息的特征；

使用：

• V表示词表大小（BERT词表大小为30000）
• H表示隐藏层嵌入大小
• E表示WordPiece嵌入的大小；

为了将更多信息编码到隐藏层嵌入中，通常将隐藏层嵌入的大小设置为较大的一个数（BERT-base是768）；

WordPiece嵌入和 隐藏层嵌入都是通过训练学习的，将二者大小设置的相同，会增加需要学习的参数数量；为避免这种情况，可以使用“嵌入层参数因子分解方法”，将嵌入矩阵分解成更小的矩阵；

通过分解：

• 我们将独热编码向量投射到低维嵌入空间V x E；
• 然后将这个低维嵌入投射到隐藏空间 E x H
• 即不是直接将词表的独热编码向量投射到隐藏空间V x H；

也就是说，我们不是直接投射V x H，而是将这一步分解为 V x E和 E x H；

V = 30000、E = 128、H = 768，可以通过如下步骤投射 V x H

• 将词表V的独热编码向量投射到低维WordPiece嵌入的大小E，即V x E；
• 再将WordPiece嵌入大小E投射到隐藏层H中，即E x H；

ALBERT的训练

ALBERT使用了掩码语言模型构建任务进行了预训练，但并没有用下句预测任务，而是使用“句序预测任务”（sentence order prediction，SOP）这一新任务；

研究人员指出：相比掩码语言模型，下句预测并不是一个难的任务；句序预测是基于句子间连贯性，而不是基于主题预测；

句序预测也是一个二分类任务：在给定句子对中，两个句子的顺序是否被调换；模型的目标是分析句子对事属于正例（句子顺序没有互换）还是负例（句子顺序互换）；

相比BERT，ALBERT的参数比较少；ALBERT-xxlarge配置的模型在多个语言基准数据集上的性能表现明显优于BERT-large；可以作为BERT的一个很好的替代品；

# 可以像使用BERT那样使用ALBERT模型
from transformers import AlbertTokenizer, AlbertModel

model = AlbertModel.from_pretrained('albert-base-v2')
tokenizer = AlbertTokenizer.from_pretrained('albert-base-v2')

sentence = "I am good"
imputs = tokenizer(sentence, reutrn_tensors = 'pt')

# inputs
# {
#     'input_ids': 
#     'token_type_ids':
#     'attention_mask':
# }

hidden_rep, cls_head = model(**inputs)

RoBERTTa

《RoBERTa：A Robustly Optimized BERT Pretraining Approach》

RoBERTTa本质还是BERT，只是在预训练过程中有如下变化：

• 在掩码语言模型构建任务重使用动态掩码而非静态掩码；
• 不执行下句预测任务；
• 以大批量的方式进行训练；
• 使用字节级字节对编码作为子词词元化算法；

静态掩码，指在预处理阶段完成随机掩盖15%标记的处理只做了一次，在多次迭代训练中预测的都是相同的掩码标记；

复制10次句子并进行随机掩盖，然后在多轮遍历训练中，依次使用每个掩盖后的句子；

研究发现，下句预测任务对预训练BERT模型并不是真的有用；因此RoBERTa中，只用了掩码语言模型构建任务来训练模型，输入是一个完整的句子，它是从一个或多个文件中连续采样而得得，输入最多由512个标记组成，如果输入达到一个文件的末尾，那么就从下一个文件开始采样；

BERT的预训练有100万步，批量大小为256；而RoBERTa的批量大小为8000，共30万步（用较大的批量进行训练可以提高模型的速度和性能）；

字节级字节对编码：使用字节级序列，所使用的词表有50000个标记；

from transformers import RobertaConfig, RobertaModel, RobertaTokenizer

model = RobertaModel.from_pretrained('roberta-base')
model.config

tokenizer = RobertaTokenizer..from_pretrained('roberta-base')

tokenizer.tokenize("I am good")

ELECTRA

ELECTRA没有使用掩码语言模型构建任务作为预训练目标，而是使用一个叫做替换标记检测的任务进行预训练（并且仅使用了这个任务，下句预测也没用）；

使用另一个标记进行替换，并训练模型判断标记是实际标记还是替换后的标记；

之所以这样做是因为，掩码语言模型构建使用了[MASK]标记，但在下有任务中，这个标记并不存在，这导致了预训练和微调之间的不匹配，使用替换标记检测的任务解决了预训练和微调之间的不匹配问题；

“判断标记是实际标记还是替换后的标记”的模型成为判别器，仅做分类；

• 将一个句子随机使用[MASK]标记进行替换，然后送入另一个BERT模型，以预测被掩盖的标记，这个模型叫生成器，它会返回标记的概率分布；
• 使用生成器生成的标记 替换给定句子中的[MASK]标记；
• 训练判别器，训练它对标记进行分类；
• 使用判别器，每个标记都会得到一个判别/分类结果，表示各个表示是替换标记还是实际标记；

基本上来说，判别器就是ELECTRA模型，训练结束后生成器可以移除；

• 生成器执行的是 掩码语言模型构建任务
• 生成器使用sigmoid函数的前馈网络层，返回标记是实际标记还是替换标记；

为了更高效的训练ELECTRA模型，可以在生成器和判别器之间共享权重，前提是二者大小相同，如果不同的话，可以使用较小的生成器，仅共享生成器和判别器之间的嵌入层（标记嵌入和位置嵌入）；

from transformers import ElectraTokenizer, ElectraModel

# electra-small判别器
model = ElectraModel.from_pretrained("google/electra-small-discriminator")

# electra-small生成器
model = ElectraModel.from_pretrained("google/electra-small-generator")

SpanBERT预测文本段

SpanBERT主要用于文本区间的问答任务

• 区别与随机掩盖，SpanBERT是随机地对连续区间进行掩码；
• 然后将其送入SpanBERT，返回每个标记的特征；

为了预测[MASK]所代表的标记，使用掩码语言模型构建目标和区间边界目标（span boundary objective， SBO）来训练SpanBERT模型；

• 区间边界标记特征
• 使用[MASK]的位置嵌入

SpanBERT使用两个目标：

• 一个是掩码语言模型构建目标，为预测掩码标记，只使用相应的标记特征；
• 另一个是区间边界目标，为预测掩码标记，只使用区间边界标记特征和掩码标记的位置嵌入；

# pipeline API 用于无缝地执行从文本分类任务到问答任务等各类复杂任务
from transformers import pipeline

qa_pipeline = pipeline(
    "question-answering",
    model = "mrm8488/spanbert-large-finetuned-squadv2",
    tokenizer = "SpanBERT/spanbert-large-cased"
)

# 输入问题和上下文 即可得到答案
results = qa_pipeline({
    'question': "What is AI?",
    'context': "AI is ...."
})

results["answer"]

基于知识蒸馏

使用知识蒸馏法可以实现 将知识从预训练的大型BERT模型迁移到小型BERT模型；本章将了解基于知识蒸馏的BERT变体；

• 知识蒸馏
• DistilBERT——BERT模型的知识蒸馏版本
• TunyBERT
• 知识迁移到简单的神经网络

知识蒸馏

知识蒸馏（knowledge distillation）是一种模型压缩技术，指训练一个小模型来重现大型预训练模型的行为；也被称为师生学习，大模型是老师，小模型是学生；

假设通过一个预训练大模型（教师网络）来预测句子中的下一个单词，输入一个句子，网络预测将返回词表中所有单词是下一个单词的概率分布（softmax作用于输出层）；

从返回的概率分布中除了概率最高的词，还有一些词的概率也相对较高；这体现了相关单词与输入句子的相关性更高，这就是所谓的隐藏知识；在知识蒸馏过程中，我们希望学生网络能从教师网络学到这些隐藏知识；

但实际的可用模型，往往会为正确的结果返回一个接近1的高概率，而对其他单词，概率都接近于0，此时概率分布中已经没有太多信息了；为此需要使用带有温度系数的softmax函数，即softmax温度；在输出层使用softmax温度，来平滑概率分布（增加T值可以是概率分布更平滑，T=1时即为标准的softmax函数）；

通过softmax温度，就可以获得隐藏知识；即先用softmax温度对教师网络进行预训练，获得隐藏知识，然后在知识蒸馏中，将这些隐藏知识从教师网络迁移至学生网络；

训练学生网络

经过预训练的教师网络，在其预训练过程中使用了softmax温度；

将句子送入教师网络和学生网络，其中：

• 教师网络返回的概率分布是我们的目标，教师网络的输出称为软目标；
• 学生网络做出的预测称为软预测；
• 最后计算软目标和软预测之间的交叉熵损失，并通过反向传播训练学生网络；

软目标和软预测之间的交叉熵损失也被称为蒸馏损失；

注意：教师网络和学生网络中，softmax层的T值需保持一致（如T=5），且都大于1；

除了蒸馏损失外，我们还是用另一个损失，称为学生损失；

• 相比软目标，硬目标就是将高概率设置为1，其余概率设置为0；
• 相比软预测，硬预测就是softmax T=1得到的概率分布（标准softmax函数）；

学生损失：

• 即硬目标 与 硬预测之间的交叉熵损失；

计算过程：

• 教师网络 使用T=5的softmax函数，得到软目标；
• 对软目标，将具有高概率的位置设置为1，其余设置为0，得到硬目标；
• 学生网络 使用T=5的softmax函数，得到软预测；
• 学生网络 使用T=1的softmax函数，得到硬预测；
• 软目标和软预测之间的交叉熵损失即蒸馏损失；
• 硬目标与硬预测之间的交叉熵损失即学生损失；

最终的损失函数是 两个损失的加权和，权重分别为α和β两个超参数；

总结下：在知识蒸馏中，我们使用预训练网络作为教师网络，训练学生网络通过蒸馏从教师中获得知识；

DistilBERT模型

Hugging Face的研发开发了DistilBERT，是一个更小、更快的轻量级BERT模型；

• 使用BERT-base作为教师
• 一个更少层数的BERT模型，作为学生，隐藏层大小保持在768；
• 可以使用相同的数据集进行训练；

实际训练除了蒸馏损失和学生损失，还需要计算余弦嵌入损失（cosine embedding loss）：它是教师模型和学生模型所学的特征向量之间的距离，最小化该损失将使学生网络的特征向量更加准确；

损失函数是3中损失之和：

• 蒸馏损失
• 掩码语言模型损失（学生损失）
• 余弦嵌入损失

通过最小化损失之和来训练学生BERT模型，即DistilBERT模型，他可以达到BERT-base 97%的准确度，在8块V100（16G）上进行了大约90小时的训练，该预训练模型Hugging Face也以公开，模型大小仅207MB；

TinyBERT模型

在TinyBERT模型，除了从教师BERT模型的输出层（预测层）向学生BERT模型迁移知识，还可以嵌入层和编码层迁移知识；

具体内容略过；

将知识从BERT模型迁移到神经网络中

《Distilling Tash-Specific Knowledge from BERT into Simple Neural Networks》

教师BERT模型

• 使用预训练的BERT-large模型，需要注意的是，要将特定任务的知识从教师迁移给学生，需要先针对特定任务微调预训练的BERT-large模型，然后再将其作为教师；

学生网络：

• 是一个简单的双向LSTM，学生网络可以根据不同任务而变化；

以句子的情感分析任务为例：

• 将句子嵌入送入双向LSTM，得到前向、后向的隐藏状态；
• 再将前向、后向的隐藏状态；送入带有ReLU激活函数的全连接层，返回logit向量作为输出；
• 将logit向量送入softmax函数，得到该句是正面还是负面的概率；

损失是 学生损失 和 蒸馏损失的加权和；这里使用均方损失（MSE） 作为蒸馏损失，因为它比交叉熵损失的表现更好；学生损失还是硬目标和硬预测之间的标准交叉熵损失；

第三部分 BERT模型的应用

这里我们略过第6章和第7章；

• 第8章 Sentence-BERT模型和特定领域的BERT模型
• 第9章 VideoBERT模型和BART模型

第8章 Sentence-BERT模型和特定领域的BERT模型

主要学习 ClinicalBERT模型，其他内容略过；

我们知道BERT模型是使用维基百科语料库进行的预训练，对于特定领域，也可以使用特定的语料库重新训练BERT；

ClinicalBERT模型就是一个使用大型临床语料库（MIMIC-III）进行预训练的针对临床领域的BERT模型；可以应用到死亡风险评估、诊断预测等下游任务；

ClinicalBERT模型使用掩码语言模型构建任务（penicillin）和下句预测任务（isNext）进行预训练，与BERT一致；

对于超过最大标记长度512的长序列，可以将其拆分成多个子序列，然后使用公式计算分数；

t分布随机邻域嵌入法（t-SNE）被用来绘制使用ClinicalBERT模型获得的医学术语特征，以评估该模型所学到的特征；

第9章 VideoBERT模型和BART模型

VideoBERT模型

• 是第一个联合学习视频特征及语言特征的模型，可应用于图像字幕生成、视频字幕添加、预测视频下一帧等任务；

预训练任务：

• 掩码语言模型构建（完形填空）
• 语言-视觉对其任务

旁白和视频画面的对应 有助于联合学习语言及视频的特征；

提取视频中语言标记和视觉标记：

• 使用自动语音识别（ASR）工具，从视频中提取音频，再将音频转换为文本；
• 对文本进行标记，就形成了语言标记；
• 以20帧/秒的速度对视频中图像帧进行采样，然后将图像帧转换成1.5s的视频标记；

语言标记和视频标记结合，使用特殊标记间隔：

• 在语言标记开头添加[CLS]标记；
• [SEP]标记在视觉标记末尾添加，中间使用[>]标记间隔；
• 使用[MASK]进行随机掩蔽，送入VideoBERT，返回所有标记特征；

掩码语言模型构建（完形填空）我们已经了解，对于语言-视觉对其任务：

• 它也是一个分类任务，预测的是语言标记和视觉标记是否在时间上吻合（对齐），即预测文本是否与视频画面匹配；
• 提取[CLS]标记特征，送入一个分类器，对是否一致进行分类；

VideoBERT模型使用了三个目标进行预训练：

• 纯文本
• 纯视频
• 文本-视频

最终预训练目标是上述3个目标的加权组合；

数据源和预处理：

• 使用YouTube教学视频，时长少于15min，共312000个，23186小时；
• 使用YouTube API提供的自动语音识别工具，返回文本和时间戳；不同目标所使用的数据集不同；

对于从视频中采样的图像帧，使用预训练的视频卷积神经网络提取视觉特征，并使用分层的K均值算法对视觉特征进行标记；

VideoBERT模型应用：

• 预测下一个视觉标记；
• 由文本生成视频；
• 生成视频字幕；

BART模型

基于Transformer架构，本质是一个降噪自编码器，通过重建受损文本进行训练的；

带有编码器和解码器的Transformer模型，将受损文本送入编码器学习，将学习得到的特征发送给解码器；解码器获得编码器生成的特征，重建原始文本；

• 双向编码器
• 自回归解码器（单向的）

BART模型通过最小化重建损失来训练，也就是原始文本和解码器的生成文本之间的交叉熵损失

BART模型与BERT模型不同，在BERT中，只是将被掩盖的标记送入编码器，然后将编码器的结果送入前馈网络层，用前馈网络层来预测被掩盖的标记；而在BART中，将编码器的结果反馈给解码器，由其生成或构建原始句子；

集中破坏文本增噪方法：

• 标记掩盖：用[MASK]随机替换一些标记
• 标记删除
• 标记填充：用一个[MASK]掩盖连续的标记
• 句子重排：随机打乱橘子顺序
• 文档论换：随机选择文档中的一个标记作为文档的开始，然后将所选标记之前的所有标记添加到文档的末尾；

# 文本摘要任务应用
from transformers import BartTokenizer, BartForConditionalGeneration

model = BartForConditionalGeneration.from_pretrained('facebook/bart-large-cnn')
tokenizer = BartTokenizer.from_pretrained('facebook/bart-large-cnn')

text = """
...
"""

# 对文本进行标记
inputs = tokenizer([text], max_length=1025, return_tensors='pt')

# 获取摘要ids（即模型生成的标记ID）
summary_ids = model.generate(inputs['input_ids'], num_beams=4, max_length=100, early_stopping=True)

# 对摘要进行解码
summary = ([tokenizer.decode(i, skip_special_tokens=True, clean_up_tokenization_spaces=False) for i in summary_ids])

print(summary)