【自然语言处理】Encoder-Decoder模型中Attention机制的引入

在 Encoder-Decoder 模型中引入 Attention 机制，是为了改善基本Seq2Seq模型的性能，特别是当处理长序列时，传统的Encoder-Decoder模型容易面临信息压缩的困难。Attention机制可以帮助模型动态地选择源序列中相关的信息，从而提高翻译等任务的质量。

一、为什么需要Attention机制？

在基本的 Encoder-Decoder 模型中，Encoder将整个源句子的所有信息压缩成一个固定大小的向量（上下文向量），然后Decoder使用这个向量来生成目标序列。这个单一的上下文向量对于较短的句子可能足够，但对于较长的句子，模型可能无法有效捕捉到整个句子中所有重要的信息。这样容易导致信息丢失，尤其是当句子很长时，Decoder在生成目标词时可能无法获取到源句子的细节信息。

二、Attention机制的核心思想

Attention机制的核心思想是：在每个时间步生成目标单词时，Decoder不再依赖于固定的上下文向量，而是能够通过“注意力”权重，动态地从源句子的所有隐状态中选择最相关的部分。这样，Decoder每生成一个目标词时，能够更好地“关注”源句子中与当前生成词最相关的部分。

三、Attention机制的工作流程

在每一步解码时，Attention机制会根据Decoder的当前状态计算出一组权重，表示源句子中各个位置的隐状态对当前解码步骤的重要性。这些权重用于加权源句子的隐状态，以得到一个上下文向量，这个上下文向量会与当前Decoder的隐状态一起用于生成下一个目标词。由于它跨越两个序列：源语言序列（编码器输出）作为 Key 和 Value；目标语言序列（解码器的当前状态）作为 Query，因此也叫交叉注意力。

Attention的具体步骤如下：

计算注意力权重：
- 对于Decoder的每一步（生成每个目标词时），通过Decoder的当前隐状态和源句子每个时间步的隐状态来计算注意力权重。
- 这些权重表示源句子中每个位置的重要性，可以使用加性Attention或点积Attention来计算。
计算上下文向量：
- 通过将注意力权重与源句子的隐状态进行加权平均，得到一个新的上下文向量。
- 这个上下文向量包含了源句子中当前对Decoder最重要的信息。
解码下一步：
- 将新的上下文向量与当前Decoder的隐状态结合，用于生成当前的目标词。

四、Attention机制的公式

对于每个时间步 t：

计算注意力得分：通常使用Decoder当前的隐状态 ht 和源句子每个位置的隐状态 hs 计算注意力得分，可以通过以下公式计算：

在这里插入图片描述

常见的 score 函数有加性（Bahdanau Attention）和点积（Luong Attention）：

加性Attention：使用一个简单的前馈网络对 ht 和 hs 进行线性变换并加和。
点积Attention：直接计算 ht 和 hs 的点积。

计算注意力权重：对得分 et,s 进行Softmax操作，得到权重：

在这里插入图片描述

这些权重 αt,s 表示源句子中各个位置对当前解码的影响力。

计算上下文向量：使用注意力权重对源句子的隐状态进行加权平均，得到上下文向量 ct：

在这里插入图片描述

生成下一个词：将上下文向量 ct 与Decoder的隐状态 ht 结合，生成下一个词。

五、引入Attention机制的Encoder-Decoder代码实现

以下是一个带有 Attention 机制的 Encoder-Decoder 模型的简化实现，使用 PyTorch 进行构建。

import torch
import torch.nn as nn# Encoder模型
class Encoder(nn.Module):def __init__(self, input_size, embedding_dim, hidden_size):super(Encoder, self).__init__()self.embedding = nn.Embedding(input_size, embedding_dim)self.lstm = nn.LSTM(embedding_dim, hidden_size, batch_first=True)def forward(self, src):embedded = self.embedding(src)  # [batch_size, src_len, embedding_dim]outputs, (hidden, cell) = self.lstm(embedded)  # [batch_size, src_len, hidden_size]return outputs, hidden, cell# Attention模型
class Attention(nn.Module):def __init__(self, hidden_size):super(Attention, self).__init__()self.attn = nn.Linear(hidden_size * 2, hidden_size)self.v = nn.Parameter(torch.rand(hidden_size))def forward(self, hidden, encoder_outputs):src_len = encoder_outputs.shape[1]hidden = hidden.unsqueeze(1).repeat(1, src_len, 1)energy = torch.tanh(self.attn(torch.cat((hidden, encoder_outputs), dim=2)))  # [batch_size, src_len, hidden_size]energy = torch.sum(self.v * energy, dim=2)  # [batch_size, src_len]return torch.softmax(energy, dim=1)  # [batch_size, src_len]# Decoder模型
class Decoder(nn.Module):def __init__(self, output_size, embedding_dim, hidden_size):super(Decoder, self).__init__()self.embedding = nn.Embedding(output_size, embedding_dim)self.lstm = nn.LSTM(embedding_dim + hidden_size, hidden_size, batch_first=True)self.fc_out = nn.Linear(hidden_size * 2, output_size)self.attention = Attention(hidden_size)def forward(self, input_token, hidden, cell, encoder_outputs):input_token = input_token.unsqueeze(1)  # [batch_size, 1]embedded = self.embedding(input_token)  # [batch_size, 1, embedding_dim]# 计算注意力权重attn_weights = self.attention(hidden[-1], encoder_outputs)  # [batch_size, src_len]# 使用注意力权重对encoder输出进行加权平均attn_applied = torch.bmm(attn_weights.unsqueeze(1), encoder_outputs)  # [batch_size, 1, hidden_size]# 将注意力上下文向量和嵌入层输入拼接lstm_input = torch.cat((embedded, attn_applied), dim=2)  # [batch_size, 1, embedding_dim + hidden_size]# 通过LSTMoutput, (hidden, cell) = self.lstm(lstm_input, (hidden, cell))  # [batch_size, 1, hidden_size]# 生成最终输出output = torch.cat((output.squeeze(1), attn_applied.squeeze(1)), dim=1)  # [batch_size, hidden_size * 2]prediction = self.fc_out(output)  # [batch_size, output_size]return prediction, hidden, cell# Seq2Seq模型
class Seq2Seq(nn.Module):def __init__(self, encoder, decoder, device):super(Seq2Seq, self).__init__()self.encoder = encoderself.decoder = decoderself.device = devicedef forward(self, src, tgt, teacher_forcing_ratio=0.5):batch_size = tgt.shape[0]target_len = tgt.shape[1]target_vocab_size = self.decoder.fc_out.out_featuresoutputs = torch.zeros(batch_size, target_len, target_vocab_size).to(self.device)encoder_outputs, hidden, cell = self.encoder(src)input_token = tgt[:, 0]for t in range(1, target_len):output, hidden, cell = self.decoder(input_token, hidden, cell, encoder_outputs)outputs[:, t, :] = outputtop1 = output.argmax(1)input_token = tgt[:, t] if torch.rand(1).item() < teacher_forcing_ratio else top1return outputs

代码说明：

Encoder：
- 编码源句子，生成隐状态和输出序列。
- 输出序列会在注意力机制中使用。
Attention：
- Attention 模型根据当前隐状态和Encoder输出计算注意力权重。
Decoder：
- 使用Attention得到的注意力权重对Encoder输出进行加权平均，得到上下文向量。
- Decoder在当前时间步会将当前输入（上一个时间步生成的词）、上一个时间步的隐状态和注意力上下文向量拼接起来，输入到LSTM或GRU中，更新隐状态并生成当前时间步的输出。
Seq2Seq：
- 将Encoder和Decoder结合，逐步生成目标序列。
- 使用了教师强制机制来控制训练时的输入。

Decoder代码详细解释：

attn_weights = self.attention(hidden[-1], encoder_outputs):
- hidden[-1] 是Decoder当前时间步的最后一层隐状态（对于多层LSTM来说）。encoder_outputs 是Encoder所有时间步的输出。
- 调用 self.attention 计算当前时间步的注意力权重。
attn_applied = torch.bmm(attn_weights.unsqueeze(1), encoder_outputs):
- attn_weights 是注意力权重，形状为 [batch_size, src_len]。
- unsqueeze(1) 将其变为 [batch_size, 1, src_len]，然后与 encoder_outputs（形状为 [batch_size, src_len, hidden_size]）进行批量矩阵乘法（torch.bmm）。
- 这样得到的结果 attn_applied 是加权后的上下文向量，形状为 [batch_size, 1, hidden_size]，表示根据注意力权重加权后的源句子信息。
torch.cat((embedded, attn_applied), dim=2):
- 将Decoder的当前输入（嵌入表示）和上下文向量拼接在一起，输入到LSTM中。