深入理解Seq2Seq模型

一、什麼是Seq2Seq模型?

Seq2Seq模型是一種基於神經網絡的模型,特別適合處理帶有時序信息的序列數據。其主要用途是將輸入序列轉換為輸出序列,通常應用於機器翻譯、對話系統、語音識別等領域。

Seq2Seq模型包括兩個部分——Encoder和Decoder,其中Encoder用於對輸入序列進行編碼,生成一個向量表示;Decoder則用於利用Encoder生成的向量表示,生成輸出序列。


import tensorflow as tf

# 定義Encoder
class Encoder(tf.keras.Model):
    def __init__(self, vocab_size, embedding_dim, enc_units, batch_size):
        super(Encoder, self).__init__()
        self.batch_size = batch_size
        self.enc_units = enc_units
        self.embedding = tf.keras.layers.Embedding(vocab_size, embedding_dim)
        self.gru = tf.keras.layers.GRU(self.enc_units, 
                                       return_sequences=True, 
                                       return_state=True, 
                                       recurrent_initializer='glorot_uniform')

    def call(self, x, hidden):
        x = self.embedding(x)
        output, state = self.gru(x, initial_state = hidden)
        return output, state

    def initialize_hidden_state(self):
        return tf.zeros((self.batch_size, self.enc_units))
        
# 定義Decoder
class Decoder(tf.keras.Model):
    def __init__(self, vocab_size, embedding_dim, dec_units, batch_size):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.batch_size = batch_size
        self.dec_units = dec_units
        self.embedding = tf.keras.layers.Embedding(vocab_size, embedding_dim)
        self.gru = tf.keras.layers.GRU(self.dec_units, 
                                       return_sequences=True, 
                                       return_state=True, 
                                       recurrent_initializer='glorot_uniform')
        self.fc = tf.keras.layers.Dense(vocab_size)

        self.attention = BahdanauAttention(self.dec_units)

    def call(self, x, hidden, enc_output):
        context_vector, attention_weights = self.attention(hidden, enc_output)
        x = self.embedding(x)
        x = tf.concat([tf.expand_dims(context_vector, 1), x], axis=-1)
        output, state = self.gru(x)
        output = tf.reshape(output, (-1, output.shape[2]))
        x = self.fc(output)
        return x, state, attention_weights

# 定義Attention層
class BahdanauAttention(tf.keras.layers.Layer):
    def __init__(self, units):
        super(BahdanauAttention, self).__init__()
        self.W1 = tf.keras.layers.Dense(units)
        self.W2 = tf.keras.layers.Dense(units)
        self.V = tf.keras.layers.Dense(1)

    def call(self, query, values):
        # query是上一步Decoder的隱藏狀態
        hidden_with_time_axis = tf.expand_dims(query, 1)

        # values是Encoder的所有輸出
        score = self.V(tf.nn.tanh(
            self.W1(values) + self.W2(hidden_with_time_axis)))

        # 計算注意力權重
        attention_weights = tf.nn.softmax(score, axis=1)

        # 計算context向量
        context_vector = attention_weights * values
        context_vector = tf.reduce_sum(context_vector, axis=1)

        return context_vector, attention_weights

二、Seq2Seq模型的訓練過程

在訓練階段,我們需要定義損失函數和優化器,通過反向傳播使損失函數達到最小,進而得到模型的最優參數。

在Seq2Seq模型中,通常採用交叉熵損失函數;優化器方面常用的有Adam、RMSprop和SGD等。此外,為了增加模型的效果,還可以採用一些技巧,如Teacher Forcing和Scheduled Sampling。


# 定義損失函數和優化器
loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(
    from_logits=True, reduction='none')

def loss_function(real, pred):
    mask = tf.math.logical_not(tf.math.equal(real, 0))
    loss_ = loss_object(real, pred)

    mask = tf.cast(mask, dtype=loss_.dtype)
    loss_ *= mask

    return tf.reduce_mean(loss_)

optimizer = tf.keras.optimizers.Adam()

# 定義模型
encoder = Encoder(input_vocab_size, embedding_dim, units, BATCH_SIZE)
decoder = Decoder(output_vocab_size, embedding_dim, units, BATCH_SIZE)

# 定義訓練步驟
@tf.function
def train_step(inp, targ, enc_hidden):
    loss = 0

    with tf.GradientTape() as tape:
        enc_output, enc_hidden = encoder(inp, enc_hidden)

        dec_hidden = enc_hidden

        dec_input = tf.expand_dims([targ_lang.word_index['']] * BATCH_SIZE, 1)

        # Teacher Forcing - 將真實輸出作為輸入
        for t in range(1, targ.shape[1]):
            predictions, dec_hidden, _ = decoder(dec_input, dec_hidden, enc_output)

            loss += loss_function(targ[:, t], predictions)

            dec_input = tf.expand_dims(targ[:, t], 1)

    batch_loss = (loss / int(targ.shape[1]))

    variables = encoder.trainable_variables + decoder.trainable_variables

    gradients = tape.gradient(loss, variables)

    optimizer.apply_gradients(zip(gradients, variables))

    return batch_loss

三、Seq2Seq模型的應用

隨着深度學習技術的不斷發展,Seq2Seq模型的應用範圍也越來越廣泛。例如在機器翻譯領域,我們可以使用Seq2Seq模型將一種語言翻譯成另一種語言;在對話系統中,我們可以使用Seq2Seq模型回答用戶的提問;在語音識別領域,我們可以使用Seq2Seq模型把語音信號轉換成文字。


# 機器翻譯示例
def evaluate(sentence):
    attention_plot = np.zeros((max_length_targ, max_length_inp))

    sentence = preprocess_sentence(sentence)

    inputs = [inp_lang.word_index[i] for i in sentence.split(' ')]
    inputs = tf.keras.preprocessing.sequence.pad_sequences([inputs],
                                                            maxlen=max_length_inp,
                                                            padding='post')
    inputs = tf.convert_to_tensor(inputs)

    result = ''

    hidden = [tf.zeros((1, units))]
    enc_out, enc_hidden = encoder(inputs, hidden)

    dec_hidden = enc_hidden
    dec_input = tf.expand_dims([targ_lang.word_index['']], 0)

    for t in range(max_length_targ):
        predictions, dec_hidden, attention_weights = decoder(dec_input, dec_hidden, enc_out)

        # 存儲attention權重
        attention_weights = tf.reshape(attention_weights, (-1, ))
        attention_plot[t] = attention_weights.numpy()

        predicted_id = tf.argmax(predictions[0]).numpy()

        result += targ_lang.index_word[predicted_id] + ' '

        if targ_lang.index_word[predicted_id] == '':
            return result, sentence, attention_plot

        # 把預測的結果作為下一步的輸入
        dec_input = tf.expand_dims([predicted_id], 0)

    return result, sentence, attention_plot

def translate(sentence):
    result, sentence, attention_plot = evaluate(sentence)

    print('Input: %s' % (sentence))
    print('Predicted translation: {}'.format(result))

原創文章,作者:IIJHD,如若轉載,請註明出處:https://www.506064.com/zh-hant/n/372446.html

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