深度学习【NLP介绍、文本情感分类案例】

一 NLP介绍

1. 文本的tokenization

1.1 概念和工具的介绍

tokenization就是通常所说的分词，分出的每一个词语把它称为token。

常见的分词工具很多，比如：

• jieba分词：https://github.com/fxsjy/jieba
• 清华大学的分词工具THULAC：https://github.com/thunlp/THULAC-Python

1.2 中英文分词的方法

• 把句子转化为词语
  • 比如：我爱深度学习 可以分为[我，爱， 深度学习]
• 把句子转化为单个字
  • 比如：我爱深度学习的token是[我，爱，深，度，学，习]

2. N-gram表示方法

句子可以用但个字，词来表示，但是有的时候，也可以用2个、3个或者多个词来表示。

N-gram是一组一组的词语，其中的N表示能够被一起使用的词的数量

例如：

In [59]: text = "深度学习（英语：deep learning）是机器学习的分支，是一种以人工神经网络为架构，对数据进行表征学习的算法。"
#lcut返回一个列表
In [60]: cuted = jieba.lcut(text)

In [61]: [cuted[i:i+2] for i in range(len(cuted)-1)] #N-gram 中n=2时
Out[61]:[['深度', '学习'],
 ['学习', '（'],
 ['（', '英语'],
 ['英语', '：'],
 ['：', 'deep'],
 ['deep', ' '],
 [' ', 'learning'],
 ['learning', '）'],
 ['）', '是'],
 ['是', '机器'],
 ['机器', '学习'],
 ['学习', '的'],
 ['的', '分支'],
 ['分支', '，'],
 ['，', '是'],
 ['是', '一种'],
 ['一种', '以'],
 ['以', '人工神经网络'],
 ['人工神经网络', '为'],
 ['为', '架构'],
 ['架构', '，'],
 ['，', '对'],
 ['对', '数据'],
 ['数据', '进行'],
 ['进行', '表征'],
 ['表征', '学习'],
 ['学习', '的'],
 ['的', '算法'],
 ['算法', '。']]

在传统的机器学习中，使用N-gram方法往往能够取得非常好的效果，但是在深度学习比如RNN中会自带N-gram的效果。

3. 向量化

因为文本不能够直接被模型计算，所以需要将其转化为向量

把文本转化为向量有两种方法：

1. 转化为one-hot编码
2. 转化为word embedding

3.1 one-hot 编码

在one-hot编码中，每一个token使用一个长度为N的向量表示，N表示词典的数量

即：把待处理的文档进行分词或者是N-gram处理，然后进行去重得到词典，假设有一个文档：深度学习，那么进行one-hot处理后的结果如下：

token	one-hot encoding
深	1000
度	0100
学	0010
习	0001

3.2 word embedding

word embedding是深度学习中表示文本常用的一种方法。和one-hot编码不同，word embedding使用了浮点型的稠密矩阵来表示token。根据词典的大小，向量通常使用不同的维度，例如100,256,300等。其中向量中的每一个值是一个参数，其初始值是随机生成的，之后会在训练的过程中进行学习而获得。

如果文本中有20000个词语，如果使用one-hot编码，那么会有20000*20000的矩阵，其中大多数的位置都为0，但是如果使用word embedding来表示的话，只需要20000 * 维度，比如20000*300

形象的表示就是：

token	num	vector
词1	0	[w11,w12,w13...w1N] ,其中N表示维度（dimension）
词2	1	[w21,w22,w23...w2N]
词3	2	[w31,w23,w33...w3N]
…	….	…
词m	m	[wm1,wm2,wm3...wmN],其中m表示词典的大小

会把所有的文本转化为向量，把句子用向量来表示

但是在这中间，会先把token使用数字来表示，再把数字使用向量来表示。

即：token --> num --> vector

3.3 word embedding API

torch.nn.Embedding(num_embeddings,embedding_dim)

参数介绍：

1. num_embeddings：词典的大小，当前要训练的数据中不重复词语的个数
2. embedding_dim：embedding的维度，用多长的向量表示一个词语

使用方法：

embedding = nn.Embedding(vocab_size,300) #实例化
input_embeded = embedding(input)         #进行embedding的操作，从上图（左）转换到上图（右）

3.4 数据的形状变化

思考：每个batch中的每个句子有10个词语，经过形状为[20，4]的Word emebedding之后，原来的句子会变成什么形状？

每个词语用长度为4的向量表示，所以，最终句子会变为[batch_size,10,4]的形状。

增加了一个维度，这个维度是embedding的dim

二 文本情感分类

1. 案例介绍

为了对前面的word embedding这种常用的文本向量化的方法进行巩固，这里会完成一个文本情感分类的案例

现在有一个经典的数据集IMDB数据集，地址：http://ai.stanford.edu/~amaas/data/sentiment/，这是一份包含了5万条流行电影的评论数据，其中训练集25000条，测试集25000条。数据格式如下：

下图左边为名称，其中名称包含两部分，分别是序号和情感评分，（1-4为neg，5-10为pos），右边为评论内容

根据上述的样本，需要使用pytorch完成模型，实现对评论情感进行预测

2. 思路分析

首先可以把上述问题定义为分类问题，情感评分分为1-10，10个类别（也可以理解为回归问题，这里当做分类问题考虑）。那么根据之前的经验，大致流程如下：

1. 准备数据集
2. 构建模型
3. 模型训练
4. 模型评估

3. 准备数据集

准备数据集和之前的方法一样，实例化dataset，准备dataloader，最终的数据可以处理成如下格式：

其中有两点需要注意：

1. 如何完成基础打Dataset的构建和Dataloader的准备
2. 每个batch中文本的长度不一致的问题如何解决（句子长度不一致）
3. 每个batch中的文本如何转化为数字序列

3.1 基础Dataset的准备

import torch
from torch.utils.data import DataLoader,Dataset
import os
import re

data_base_path = r"data\aclImdb"

#1. 定义tokenize的方法
def tokenize(text):
    # 数据清洗
    # fileters = '!"#$%&()*+,-./:;<=>?@[\\]^_`{|}~\t\n'
    fileters = ['!','"','#','$','%','&','\(','\)','\*','\+',',','-','\.','/',':',';','<','=','>','\?','@'
        ,'\[','\\','\]','^','_','`','\{','\|','\}','~','\t','\n','\x97','\x96','”','“',]
    text = re.sub("<.*?>"," ",text,flags=re.S)
    text = re.sub("|".join(fileters)," ",text,flags=re.S)
    return [i.strip() for i in text.split()]

#2. 准备dataset
class ImdbDataset(Dataset):
    def __init__(self,mode):
        super(ImdbDataset,self).__init__()
        if mode=="train":
            # 把所有文件名放入列表
            text_path = [os.path.join(data_base_path,i)  for i in ["train/neg","train/pos"]]
        else:
            text_path =  [os.path.join(data_base_path,i)  for i in ["test/neg","test/pos"]]
		# 获取所有评论文件的路径
        self.total_file_path_list = []
        for i in text_path:
            self.total_file_path_list.extend([os.path.join(i,j) for j in os.listdir(i)])


    def __getitem__(self, idx):
        cur_path = self.total_file_path_list[idx]

        cur_filename = os.path.basename(cur_path)
        label = int(cur_filename.split("_")[-1].split(".")[0]) -1 #处理标题，获取label，转化为从[0-9]
        text = tokenize(open(cur_path).read().strip()) #直接按照空格进行分词
        return label,text

    def __len__(self):
        return len(self.total_file_path_list)
    
 # 2. 实例化，准备dataloader
dataset = ImdbDataset(mode="train")
dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=2,shuffle=True)

#3. 观察数据输出结果
for idx,(label,text) in enumerate(dataloader):
    print("idx：",idx)
    print("table:",label)
    print("text:",text)
    break

输出如下：

idx： 0
table: tensor([3, 1])
text: [('I', 'Want'), ('thought', 'a'), ('this', 'great'), ('was', 'recipe'), ('a', 'for'), ('great', 'failure'), ('idea', 'Take'), ('but', 'a'), ('boy', 's'), ('was', 'y'), ('it', 'plot'), ('poorly', 'add'), ('executed', 'in'), ('We', 'some'), ('do', 'weak'), ('get', 'completely'), ('a', 'undeveloped'), ('broad', 'characters'), ('sense', 'and'), ('of', 'than'), ('how', 'throw'), ('complex', 'in'), ('and', 'the'), ('challenging', 'worst'), ('the', 'special'), ('backstage', 'effects'), ('operations', 'a'), ('of', 'horror'), ('a', 'movie'), ('show', 'has'), ('are', 'known'), ('but', 'Let'), ('virtually', 'stew'), ('no', 'for'), ...('show', 'somehow'), ('rather', 'destroy'), ('than', 'every'), ('anything', 'copy'), ('worth', 'of'), ('watching', 'this'), ('for', 'film'), ('its', 'so'), ('own', 'it'), ('merit', 'will')]

明显，其中的text内容出现对应，和想象的不太相似，出现问题的原因在于Dataloader中的参数collate_fn

collate_fn的默认值为torch自定义的default_collate,collate_fn的作用就是对每个batch进行处理，而默认的default_collate处理出错。

解决问题的思路：

方案1：考虑先把数据转化为数字序列，观察其结果是否符合要求，之前使用DataLoader并未出现类似错误

方案2：考虑自定义一个collate_fn，观察结果

使用方案2，自定义一个collate_fn,然后观察结果：

def collate_fn(batch):
	#batch是list，其中是一个一个元组，每个元组是dataset中__getitem__的结果
    batch = list(zip(*batch))
    labes = torch.tensor(batch[0],dtype=torch.int32)
    texts = batch[1]
    del batch
    return labes,texts
dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=2,shuffle=True,collate_fn=collate_fn)

#此时输出正常
for idx,(label,text) in enumerate(dataloader):
    print("idx：",idx)
    print("table:",label)
    print("text:",text)
    break

3.2 文本序列化

word embedding的时候，不会直接把文本转化为向量，而是先转化为数字，再把数字转化为向量，那么这个过程该如何实现呢？

这里可以考虑把文本中的每个词语和其对应的数字，使用字典保存，同时实现方法把句子通过字典映射为包含数字的列表。

实现文本序列化之前，考虑以下几点:

1. 如何使用字典把词语和数字进行对应
2. 不同的词语出现的次数不尽相同，是否需要对高频或者低频词语进行过滤，以及总的词语数量是否需要进行限制
3. 得到词典之后，如何把句子转化为数字序列，如何把数字序列转化为句子
4. 不同句子长度不相同，每个batch的句子如何构造成相同的长度（可以对短句子进行填充，填充特殊字符）
5. 对于新出现的词语在词典中没有出现怎么办（可以使用特殊字符代理）

思路分析：

1. 对所有句子进行分词
2. 词语存入字典，根据词频对词语进行过滤，并统计次数
3. 实现文本转数字序列的方法
4. 实现数字序列转文本方法

import numpy as np

class Word2Sequence():
    UNK_TAG = "UNK"
    PAD_TAG = "PAD"

    UNK = 0
    PAD = 1

    def __init__(self):
        self.dict = {
            self.UNK_TAG :self.UNK,
            self.PAD_TAG :self.PAD
        }
        self.fited = False

    def to_index(self,word):
        """word -> index"""
        assert self.fited == True,"必须先进行fit操作"
        return self.dict.get(word,self.UNK)

    def to_word(self,index):
        """index -> word"""
        assert self.fited , "必须先进行fit操作"
        if index in self.inversed_dict:
            return self.inversed_dict[index]
        return self.UNK_TAG

    def __len__(self):
        return self(self.dict)

    # 把单个句子保存到dict中
    def fit(self, sentences, min_count=1, max_count=None, max_feature=None):
        """
        :param sentences:[[word1,word2,word3],[word1,word3,wordn..],...]
        :param min_count: 最小出现的次数
        :param max_count: 最大出现的次数
        :param max_feature: 总词语的最大数量
        :return:
        """
        count = {}
        for sentence in sentences:
            for a in sentence:
                if a not in count:
                    count[a] = 0
                count[a] += 1

        #保留比最小的数量大和比最大的数量小的数据
        if min_count is not None:
            count = {k: v for k, v in count.items() if v >= min_count}
        if max_count is not None:
            count = {k: v for k, v in count.items() if v <= max_count}

        # 限制最大的数量
        if isinstance(max_feature, int):
            count = sorted(list(count.items()), key=lambda x: x[1])
            if max_feature is not None and len(count) > max_feature:
                count = count[-int(max_feature):]
            for w, _ in count:
                self.dict[w] = len(self.dict)
        else:
            for w in sorted(count.keys()):
                self.dict[w] = len(self.dict)

        self.fited = True
        # 准备一个index->word的字典
        self.inversed_dict = dict(zip(self.dict.values(), self.dict.keys()))

    def transform(self, sentence,max_len=None):
        """
        实现将句子转化为数组（向量）
        :param sentence:
        :param max_len:
        :return:
        """
        assert self.fited, "必须先进行fit操作"
        if max_len is not None:
            r = [self.PAD]*max_len
        else:
            r = [self.PAD]*len(sentence)
        if max_len is not None and len(sentence)>max_len:
            sentence=sentence[:max_len]
        for index,word in enumerate(sentence):
            r[index] = self.to_index(word)
        return np.array(r,dtype=np.int64)

    def inverse_transform(self,indices):
        """
        实现从数组 转化为文字
        :param indices: [1,2,3....]
        :return:[word1,word2.....]
        """
        sentence = []
        for i in indices:
            word = self.to_word(i)
            sentence.append(word)
        return sentence

if __name__ == '__main__':
    w2s = Word2Sequence()
    w2s.fit([
        ["你", "好", "么"],
        ["你", "好", "哦"]])

    print(w2s.dict)
    print(w2s.fited)
    print(w2s.transform(["你","好","嘛"]))
    print(w2s.transform(["你好嘛"],max_len=10))

完成了wordsequence之后，接下来就是保存现有样本中的数据字典，方便后续的使用。

实现对IMDB数据的处理和保存

#1. 对IMDB的数据记性fit操作
def fit_save_word_sequence():
    from wordSequence import Word2Sequence

    ws = Word2Sequence()
    train_path = [os.path.join(data_base_path,i)  for i in ["train/neg","train/pos"]]
    total_file_path_list = []
    for i in train_path:
        total_file_path_list.extend([os.path.join(i, j) for j in os.listdir(i)])
    for cur_path in tqdm(total_file_path_list,ascii=True,desc="fitting"):
        ws.fit(tokenize(open(cur_path).read().strip()))
    ws.build_vocab()
    # 对wordSequesnce进行保存
    pickle.dump(ws,open("./model/ws.pkl","wb"))

#2. 在dataset中使用wordsequence
ws = pickle.load(open("./model/ws.pkl","rb"))

def collate_fn(batch):
    MAX_LEN = 500 
    #MAX_LEN = max([len(i) for i in texts]) #取当前batch的最大值作为batch的最大长度

    batch = list(zip(*batch))
    labes = torch.tensor(batch[0],dtype=torch.int)

    texts = batch[1]
    #获取每个文本的长度
    lengths = [len(i) if len(i)<MAX_LEN else MAX_LEN for i in texts]
    texts = torch.tensor([ws.transform(i, MAX_LEN) for i in texts])
    del batch
    return labes,texts,lengths

#3. 获取输出
dataset = ImdbDataset(ws,mode="train")
    dataloader = DataLoader(dataset=dataset,batch_size=20,shuffle=True,collate_fn=collate_fn)
    for idx,(label,text,length) in enumerate(dataloader):
        print("idx：",idx)
        print("table:",label)
        print("text:",text)
        print("length:",length)
        break

输出如下

idx： 0
table: tensor([ 7,  4,  3,  8,  1, 10,  7, 10,  7,  2,  1,  8,  1,  2,  2,  4,  7, 10,
         1,  4], dtype=torch.int32)
text: tensor([[ 50983,  77480,  82366,  ...,      1,      1,      1],
        [ 54702,  57262, 102035,  ...,  80474,  56457,  63180],
        [ 26991,  57693,  88450,  ...,      1,      1,      1],
        ...,
        [ 51138,  73263,  80428,  ...,      1,      1,      1],
        [  7022,  78114,  83498,  ...,      1,      1,      1],
        [  5353, 101803,  99148,  ...,      1,      1,      1]])
length: [296, 500, 221, 132, 74, 407, 500, 130, 54, 217, 80, 322, 72, 156, 94, 270, 317, 117, 200, 379]

思考：前面自定义了MAX_LEN作为句子的最大长度，如果需要把每个batch中的最长的句子长度作为当前batch的最大长度，该如何实现？

4. 构建模型

只使用word embedding，所以模型只有一层，即：

1. 数据经过word embedding
2. 数据通过全连接层返回结果，计算log_softmax

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch import optim
from build_dataset import get_dataloader,ws,MAX_LEN

class IMDBModel(nn.Module):
    def __init__(self,max_len):
        super(IMDBModel,self).__init__()
        self.embedding = nn.Embedding(len(ws),300,padding_idx=ws.PAD) #[N,300]
        self.fc = nn.Linear(max_len*300,10)  #[max_len*300,10]

    def forward(self, x):
        embed = self.embedding(x) #[batch_size,max_len,300]
        embed = embed.view(x.size(0),-1)
        out = self.fc(embed)
        return F.log_softmax(out,dim=-1)

5. 模型的训练和评估

训练流程和之前相同

1. 实例化模型，损失函数，优化器
2. 遍历dataset_loader，梯度置为0，进行向前计算
3. 计算损失，反向传播优化损失，更新参数

train_batch_size = 128
test_batch_size = 1000
imdb_model = IMDBModel(MAX_LEN)
optimizer = optim.Adam(imdb_model.parameters())
criterion = nn.CrossEntropyLoss()

def train(epoch):
    mode = True
    imdb_model.train(mode)
    train_dataloader =get_dataloader(mode,train_batch_size)
    for idx,(target,input,input_lenght) in enumerate(train_dataloader):
        optimizer.zero_grad()
        output = imdb_model(input)
        loss = F.nll_loss(output,target) #traget需要是[0,9]，不能是[1-10]
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if idx %10 == 0:
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, idx * len(input), len(train_dataloader.dataset),
                       100. * idx / len(train_dataloader), loss.item()))

            torch.save(imdb_model.state_dict(), "model/mnist_net.pkl")
            torch.save(optimizer.state_dict(), 'model/mnist_optimizer.pkl')
            
 def test():
    test_loss = 0
    correct = 0
    mode = False
    imdb_model.eval()
    test_dataloader = get_dataloader(mode, test_batch_size)
    with torch.no_grad():
        for target, input, input_lenght in test_dataloader:
            output = imdb_model(input)
            test_loss  += F.nll_loss(output, target,reduction="sum")
            pred = torch.max(output,dim=-1,keepdim=False)[-1]
            correct = pred.eq(target.data).sum()
        test_loss = test_loss/len(test_dataloader.dataset)
        print('\nTest set: Avg. loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.2f}%)\n'.format(
            test_loss, correct, len(test_dataloader.dataset),
            100. * correct / len(test_dataloader.dataset)))

if __name__ == '__main__':
    test()
    for i in range(3):
        train(i)
        test()

这里仅仅使用了一层全连接层，其分类效果不会很好，重点是理解常见的模型流程和word embedding的使用方法