AIGC实战——改进循环神经网络

0. 前言

我们已经学习了如何训练长短期记忆网络 (Long Short-Term Memory Network, LSTM) 模型，以学习使用给定风格生成文本，接下来，我们将学习如何扩展此模型，已获得更加优异的文本生成效果。

1. 堆叠循环网络

在自回归模型一节中构建的 LSTM 神经网络仅包含一个 LSTM 层，我们也可以训练多层堆叠的 LSTM 网络，以便从文本中学习更深层次的特征。
为了实现堆叠 LSTM 网络，我们只需在第一层之后引入另一个 LSTM 层，并将第一个 LSTM 层中的 return_sequences 参数设置为 True，这样一来，第一个 LSTM 层就会输出所有时间步的隐藏状态，而不仅仅是最后一个时间步。第二个 LSTM 层可以使用第一层的隐藏状态作为其输入数据，模型架构如下图所示：

使用 Keras 构建堆叠 LSTM 神经网络：

text_in = layers.Input(shape = (None,))
embedding = layers.Embedding(VOCAB_SIZE, EMBEDDING_DIM)(text_in)
x = layers.LSTM(N_UNITS, return_sequences = True)(embedding)
x = layers.LSTM(N_UNITS, return_sequences = True)(x)
probabilites = layers.Dense(VOCAB_SIZE, activation = 'softmax')(x)
model = models.Model(text_in, probabilites)
print(model.summary())

2. 门控制循环单元

门控循环单元 (Gated Recurrent Unit, GRU)是另一种常用的循环神经网络 (Recurrent Neural Network, RNN) 层类型。与 LSTM 单元相比，GRU 的主要区别如下：

• 遗忘门 (forget gate) 和输入门 (input gate) 被替换为重置门 (reset gate) 和更新门 (update gate)
• 没有单元格状态 (cell state) 或输出门 (output gate)，只有从单元格中输出的隐藏状态 (hidden state)

隐藏状态的更新分为以下四个步骤：

1. 将上一个时间步的隐藏状态 $h_{t-1}$ 和当前的词嵌入 $x_t$ 进行拼接，创建重置门 (reset gate)。此门是一个具有权重矩阵 $W_r$ 和 sigmoid 激活函数的函数。所得向量 $r_t$ 的长度与单元格中的单元数相等，取值范围为 0 到 1，表示在计算该单元格新解时应该带入多少上一个隐藏状态 $h_{t-1}$
2. 将重置门应用于隐藏状态 $h_{t-1}$，并与当前的词嵌入 $x_t$ 进行拼接。然后将该向量输入到具有权重矩阵 $W$ 和 tanh 激活函数的函数，以生成一个向量 ${\tilde{h}}_t$，用于存储单元格的新解。该向量的长度与单元格中的单元数相等，取值范围为 -1 到 1
3. 同样使用上一个时间步的隐藏状态 $h_{t-1}$ 和当前的词嵌入 $x_t$ 进行拼接，创建更新门 (update gate)。此门为具有权重矩阵 $W_z$ 和 sigmoid 激活函数的函数。生成的向量 $z_t$ 的长度与单元格中的单元数相等，取值范围在 0 到 1 之间，用于确定要将多少新解 ${\tilde{h}}_t$ 融合到当前的隐藏状态 $h_{t-1}$ 中
4. 将单元格的新解 ${\tilde{h}}_t$ 和当前的隐藏状态 $h_{t-1}$ 按照更新门 $z_t$ 确定的比例进行融合，得到更新后的隐藏状态 $h_t$，作为单元格的输出结果

3. 双向单元

对于预测问题而言，模型可以在推理阶段访问整个文本，因此序列不仅能够从前往后处理，同样可以反向处理。双向循环层通过存储两组隐藏状态实现双向处理：一组是在正向处理序列时产生的，另一组是在反向处理序列时产生的。这样，该层可以从给定时间步内同时学习正向和反向的信息。
在 Keras 中，可以通过将循环层包装在一个双向网络层中实现：

layer = layers.Bidirectional(layers.GRU(100))

隐藏状态 (Hidden State) 是在循环神经网络中的一种重要状态，存储了模型在处理序列数据时的记忆信息。隐藏状态可以看作是网络对之前输入数据的总结和提取，其中包含了模型学习到的上下文信息。
本节所述的隐藏状态是指双向循环神经网络 (Bidirectional RNN) 中得到的结果层的隐藏状态。在这种网络结构中，隐藏状态由正向传播和反向传播的隐藏状态拼接而成，其长度为双向单元 (Wrapped Cell) 中单元格数的两倍，因此，在以上网络层中，隐藏状态的长度为 200。
隐藏状态在自回归模型(如 LSTM )中广泛应用于文本数据处理中。在之后中，我们将学习如何将自回归模型用于生成图像。

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