【深度学习】Attention的原理、分类及实现

1 原理

1.1 简介

Attention是注意力机制，本质上对关注的多个对象有个不同的权重，从而关注重点不同。Attention是Transformer、Bert、GPT的基础。
引入Attention机制的原因

• 参数少：相对于RNN、CNN复杂度小，参数小
• 速度快：解决了RNN不能并行计算的问题
• 效果好：解决了长距离的信息会被弱化问题，Attention 是挑重点，就算文本比较长，也能从中间抓住重点，不丢失重要的信息。

1.2 原理

（1）术语介绍
在NLP中，有三个关键术语，

• Query：问句,简称Q，如“小明喜欢什么颜色的衣服？”
• Key：问句的关键词，简称K，类似搜索引擎的关键字，用于检索，如“小明 喜欢 颜色 衣服”
• Value：问题对应的答案，简称V，如“小明喜欢红色衣服”
  训练神经网络的训练集就由Q、K、V组成

（2）Attention原理解析

第一步： query 和 key 进行相似度计算，得到权值
第二步：将权值通过softmax进行归一化，得到直接可用的权重
第三步：将权重和 value 进行加权求和

2 分类

2.1 计算区域

根据Attention的计算区域，可以分成以下几种：
（1）Soft Attention，这是比较常见的Attention方式，对所有key求权重概率，每个key都有一个对应的权重，是一种全局的计算方式（也可以叫Global Attention）。这种方式比较理性，参考了所有key的内容，再进行加权。但是计算量可能会比较大一些。
（2）Hard Attention，这种方式是直接精准定位到某个key，其余key就都不管了，相当于这个key的概率是1，其余key的概率全部是0。因此这种对齐方式要求很高，要求一步到位，如果没有正确对齐，会带来很大的影响。另一方面，因为不可导，一般需要用强化学习的方法进行训练。（或者使用gumbel softmax之类的）
（3）Local Attention，这种方式其实是以上两种方式的一个折中，对一个窗口区域进行计算。先用Hard方式定位到某个地方，以这个点为中心可以得到一个窗口区域，在这个小区域内用Soft方式来算Attention。

2.2 所用信息

假设我们要对一段原文计算Attention，这里原文指的是我们要做attention的文本，那么所用信息包括内部信息和外部信息，内部信息指的是原文本身的信息，而外部信息指的是除原文以外的额外信息。
（1）General Attention，这种方式利用到了外部信息，常用于需要构建两段文本关系的任务，query一般包含了额外信息，根据外部query对原文进行对齐。
比如在阅读理解任务中，需要构建问题和文章的关联，假设现在baseline是，对问题计算出一个问题向量q，把这个q和所有的文章词向量拼接起来，输入到LSTM中进行建模。那么在这个模型中，文章所有词向量共享同一个问题向量，现在我们想让文章每一步的词向量都有一个不同的问题向量，也就是，在每一步使用文章在该步下的词向量对问题来算attention，这里问题属于原文，文章词向量就属于外部信息。
（2）Local Attention，这种方式只使用内部信息，key和value以及query只和输入原文有关，在self attention中，key=value=query。既然没有外部信息，那么在原文中的每个词可以跟该句子中的所有词进行Attention计算，相当于寻找原文内部的关系。
还是举阅读理解任务的例子，上面的baseline中提到，对问题计算出一个向量q，那么这里也可以用上attention，只用问题自身的信息去做attention，而不引入文章信息。

2.3 结构层次

结构方面根据是否划分层次关系，分为单层attention，多层attention和多头attention：
（1）单层Attention，这是比较普遍的做法，用一个query对一段原文进行一次attention。
（2）多层Attention，一般用于文本具有层次关系的模型，假设我们把一个document划分成多个句子，在第一层，我们分别对每个句子使用attention计算出一个句向量（也就是单层attention）；在第二层，我们对所有句向量再做attention计算出一个文档向量（也是一个单层attention），最后再用这个文档向量去做任务。
（3）多头Attention，这是Attention is All You Need中提到的multi-head attention，用到了多个query对一段原文进行了多次attention，每个query都关注到原文的不同部分，相当于重复做多次单层attention，最后再把这些结果拼接起来。

2.4 模型方面

从模型上看，Attention一般用在CNN和LSTM上，也可以直接进行纯Attention计算。
（1）CNN+Attention
CNN的卷积操作可以提取重要特征，我觉得这也算是Attention的思想，但是CNN的卷积感受视野是局部的，需要通过叠加多层卷积区去扩大视野。另外，Max Pooling直接提取数值最大的特征，也像是hard attention的思想，直接选中某个特征。
CNN上加Attention可以加在这几方面：

• 在卷积操作前做attention，比如Attention-Based BCNN-1，这个任务是文本蕴含任务需要处理两段文本，同时对两段输入的序列向量进行attention，计算出特征向量，再拼接到原始向量中，作为卷积层的输入。
• 在卷积操作后做attention，比如Attention-Based BCNN-2，对两段文本的卷积层的输出做attention，作为pooling层的输入。
• 在pooling层做attention，代替max pooling。比如Attention pooling，首先我们用LSTM学到一个比较好的句向量，作为query，然后用CNN先学习到一个特征矩阵作为key，再用query对key产生权重，进行attention，得到最后的句向量。
  （2）LSTM+Attention
  LSTM内部有Gate机制，其中input gate选择哪些当前信息进行输入，forget gate选择遗忘哪些过去信息，我觉得这算是一定程度的Attention了，而且号称可以解决长期依赖问题，实际上LSTM需要一步一步去捕捉序列信息，在长文本上的表现是会随着step增加而慢慢衰减，难以保留全部的有用信息。
  LSTM通常需要得到一个向量，再去做任务，常用方式有：
• 直接使用最后的hidden state（可能会损失一定的前文信息，难以表达全文）
• 对所有step下的hidden state进行等权平均（对所有step一视同仁）。
• Attention机制，对所有step的hidden state进行加权，把注意力集中到整段文本中比较重要的hidden state信息。性能比前面两种要好一点，而方便可视化观察哪些step是重要的，但是要小心过拟合，而且也增加了计算量。
  （3）纯Attention
  Attention is all you need，没有用到CNN/RNN，乍一听也是一股清流了，但是仔细一看，本质上还是一堆向量去计算attention。

2.5 相似度计算方式

在做attention的时候，我们需要计算query和某个key的分数（相似度），常用方法有：
（1）点乘

3 Keras实现

https://github.com/philipperemy/keras-attention-mechanism

from tensorflow.keras.layers import Dense, Lambda, Dot, Activation, Concatenate
from tensorflow.keras.layers import Layer
class Attention(Layer):
    def __init__(self, units=128, **kwargs):
        self.units = units
        super().__init__(**kwargs)
    def __call__(self, inputs):
        """
        Many-to-one attention mechanism for Keras.
        @param inputs: 3D tensor with shape (batch_size, time_steps, input_dim).
        @return: 2D tensor with shape (batch_size, 128)
        @author: felixhao28, philipperemy.
        """
        hidden_states = inputs
        hidden_size = int(hidden_states.shape[2])
        # Inside dense layer
        #              hidden_states            dot               W            =>           score_first_part
        # (batch_size, time_steps, hidden_size) dot (hidden_size, hidden_size) => (batch_size, time_steps, hidden_size)
        # W is the trainable weight matrix of attention Luong's multiplicative style score
        score_first_part = Dense(hidden_size, use_bias=False, name='attention_score_vec')(hidden_states)
        #            score_first_part           dot        last_hidden_state     => attention_weights
        # (batch_size, time_steps, hidden_size) dot   (batch_size, hidden_size)  => (batch_size, time_steps)
        h_t = Lambda(lambda x: x[:, -1, :], output_shape=(hidden_size,), name='last_hidden_state')(hidden_states)
        score = Dot(axes=[1, 2], name='attention_score')([h_t, score_first_part])
        attention_weights = Activation('softmax', name='attention_weight')(score)
        # (batch_size, time_steps, hidden_size) dot (batch_size, time_steps) => (batch_size, hidden_size)
        context_vector = Dot(axes=[1, 1], name='context_vector')([hidden_states, attention_weights])
        pre_activation = Concatenate(name='attention_output')([context_vector, h_t])
        attention_vector = Dense(self.units, use_bias=False, activation='tanh', name='attention_vector')(pre_activation)
        return attention_vector
    def get_config(self):
        return {'units': self.units}
    @classmethod
    def from_config(cls, config):
        return cls(**config)

import numpy as np
from tensorflow.keras import Input
from tensorflow.keras.layers import Dense, LSTM
from tensorflow.keras.models import load_model, Model
from attention import Attention
def main():
    # Dummy data. There is nothing to learn in this example.
    num_samples, time_steps, input_dim, output_dim = 100, 10, 1, 1
    data_x = np.random.uniform(size=(num_samples, time_steps, input_dim))
    data_y = np.random.uniform(size=(num_samples, output_dim))
    # Define/compile the model.
    model_input = Input(shape=(time_steps, input_dim))
    x = LSTM(64, return_sequences=True)(model_input)
    x = Attention(32)(x)
    x = Dense(1)(x)
    model = Model(model_input, x)
    model.compile(loss='mae', optimizer='adam')
    print(model.summary())
    # train.
    model.fit(data_x, data_y, epochs=10)
    # test save/reload model.
    pred1 = model.predict(data_x)
    model.save('test_model.h5')
    model_h5 = load_model('test_model.h5')
    pred2 = model_h5.predict(data_x)
    np.testing.assert_almost_equal(pred1, pred2)
    print('Success.')
if __name__ == '__main__':
    main()