基于Conditional Layer Normalization的条件文本生成

从文章《从语言模型到Seq2Seq：Transformer如戏，全靠Mask》中我们可以知道，只要配合适当的Attention Mask，Bert（或者其他Transformer模型）就可以用来做无条件生成（Language Model）和序列翻译（Seq2Seq）任务。

可如果是有条件生成呢？比如控制文本的类别，按类别随机生成文本，也就是Conditional Language Model；又比如传入一副图像，来生成一段相关的文本描述，也就是Image Caption。

相关工作 #

八月份的论文《Encoder-Agnostic Adaptation for Conditional Language Generation》比较系统地分析了利用预训练模型做条件生成的几种方案；九月份有一篇论文《CTRL: A Conditional Transformer Language Model for Controllable Generation》提供了一个基于条件生成来预训练的模型，不过这本质还是跟GPT一样的语言模型，只能以文字输入为条件；而最近的论文《Plug and Play Language Models: a Simple Approach to Controlled Text Generation》将$p(x|y)$转化为$p(x)p(y|x)$来探究基于预训练模型的条件生成。

不过这些经典工作都不是本文要介绍的。本文关注的是以一个固定长度的向量作为条件的文本生成的场景，而方法是Conditional Layer Normalization——把条件融合到Layer Normalization的$\beta$和$\gamma$中去。

思路细节 #

Conditional Layer Normalization的想法来源于图像中流行的条件GAN的思路——条件BN（Conditional Batch Normalization），相关内容可以参考《从DCGAN到SELF-MOD：GAN的模型架构发展一览》。条件BN还有一个变种，称之为AdaIN（Adaptive Instance Normalization）。条件BN、AdaIN都是将已有的Normalization方法中的$\beta$和$\gamma$变成输入条件的函数，从而可以通过条件来控制生成的行为。

在Bert等Transformer模型中，主要的Normalization方法是Layer Normalization，所以很自然就能想到将对应的$\beta$和$\gamma$变成输入条件的函数，来控制Transformer模型的生成行为，这就是Conditional Layer Normalization的线索思路。（但目前还没有看到同样思路的工作出现，所以这算是笔者闭门造车出来的新鲜玩意了。）

条件Normalization示意图

对于已经预训练好的模型来说，已经有现成的、无条件的$\beta$和$\gamma$了，它们都是长度固定的向量。我们可以通过两个不同的变换矩阵，将输入条件变换到跟$\beta,\gamma$一样的维度，然后将两个变换结果分别加到$\beta$和$\gamma$上去。为了防止扰乱原来的预训练权重，两个变换矩阵可以全零初始化（单层神经网络可以用全零初始化，连续的多层神经网络才不应当用全零初始化），这样在初始状态，模型依然保持跟原来的预训练模型一致。

代码实现 #

直觉上，这种以文本生成为目的的finetune应该要用GPT等自回归预训练模型才能提升效果，但事实上，之前的文章《从语言模型到Seq2Seq：Transformer如戏，全靠Mask》已经表明，哪怕你加载Bert的预训练权重来做生成任务，表现依然良好。所以不管哪种Transformer-based的预训练模型，都可以考虑用来finetune做文本生成模型来。而本文还是以预训练Bert为基础模型进行实验。

至于代码，本文所描述的Conditional Layer Normalization技巧，也已经被集成到笔者所开发的bert4keras中了，现在基础函数build_transformer_model新增了如下参数：

1、layer_norm_cond：如果该参数非None，则意味着它是一个张量，shape=[batch_size, cond_size]，用来作为Layer Normalization的条件；

2、layer_norm_cond_size：如果该参数非None且layer_norm_cond为None，则意味着它是一个整数，自行构建一个shape=[batch_size, layer_norm_cond_size]的输入层作为Layer Normalization的条件；

3、layer_norm_cond_hidden_size：如果该参数非None，则意味着它是一个整数，用于先将输入条件投影到更低维空间，这是因为输入的条件可能维度很高，直接投影到hidden_size（比如768）的话，参数可能过多，所以可以先投影到更低维空间，然后升维；

4、layer_norm_cond_hidden_act：投影到更低维空间时的激活函数，如果为None，则不加激活函数（线性激活）；

5、additional_input_layers：额外的输入层，如果外部传入了张量作为条件，则需要把条件张量所依赖的所有输入层都添加进来，作为输入层，才能构建最终的模型。

实验效果 #

介绍再多，其实还不如看例子来得实际。笔者做了两个实验来验证Conditional Layer Normalization的效果。一个是通过情感极性来控制文本生成，也就是情感分类的反问题，这直接通过类的Embedding来作为Layer Normalization的条件；另一个是图像描述生成（Image Caption），通过预训练的imagenet模型将图片编码为一个固定长度的向量作为Layer Normalization的条件。

这两个代码分别放在task_conditional_language_model.py和task_image_caption.py中。

情感文本生成 #

情感文本生成就是用的训练集是笔者之前收集整理的情感分类语料，将输入文本和标签反过来用即可。最后生成的时候按概率随机采样，从而能生成不同的文本。

部分输出：

正面采样:
[u'外观时尚、漂亮、性价比高。', u'外观漂亮，配置均衡，比较满意，性价比高，外观漂亮，性能较高。', u'我是在大学的时候看到这本书的，所以一直在买。书中的作者是林静蕾，她用自己的口吻写出了一个孩子成长中的心路历程，让我看到了她们成长中的不同之处，以及她们成长过程中的不同境界。让我很欣赏！', u'我想这是一本能够告诉读者什么是坏的，而不是教你怎样说话，告诉我什么是错。这里我推荐了《我要讲故事》，这本书是我很喜欢的一本书，我认为它的理由很多，但是，我相信我。如果你从中得到一些改进，或者你已经有了一个明智的决定。', u'我们一家五口住的是标间，大床房，大床的床很舒服；而我们在携程网上订了两套大床房，这个酒店的价格还是比较合理的；但是房间的隔音效果不太理想，有点响的声音；酒店门口的地铁在施工中，不方便；但是酒店的门口的出租车不知道是哪个车的，打车不是很方便；酒店外面的停']

负面采样:
[u'不知道是不是因为电池不太好，不是我不喜欢。', u'看了评论才买的. 结果发现不是那么便宜, 价格也不便宜.', u'1、外壳不容易沾手印，不容易洗洗2、屏幕有点旧，不能下载铃声', u'我是7月6日订购了《杜拉拉升职记》并已通过银行付款，为什么订单下了两周多至今还未到货？是收货时间太快了，可能就这么过去了吧？', u'这本书我是在网上先看了一遍，后来我再看了一遍。感觉作者的文笔实在太烂了，特别是在写他的博客时特别别扭，写得很不专业，特别是他写股票时那个情绪调节的小男孩，简直就是自作聪明的样子，简直就是自作聪明的一种表现！']

Image Caption #

Image Caption以COCO数据集为例，这个数据集的图片场景比较丰富一些。另外2017年的challenger.ai也举办过一个图像中文描述生成竞赛，里边也包含了一个不错的数据集（读者自己自行想办法收集），不过图片的场景相对来说单调一些。

部分输出：

模型预测: a baseball game in progress with the batter up to plate.

模型预测: a train that is sitting on the tracks.

image_id: COCO_val2014_000000524611.jpg
url: http://images.cocodataset.org/val2014/COCO_val2014_000000524611.jpg
predict: a train that is sitting on the tracks.
references: [u'A train carrying chemical tanks traveling past a water tower.', u'Dual train tracks with a train on one of them and a water tower in the background.', u'a train some trees and a water tower ', u'Train on tracks with water tower for Davis Junction in the rear.', u'A train on a train track going through a bunch of trees.']

image_id: COCO_val2014_000000202923.jpg
url: http://images.cocodataset.org/val2014/COCO_val2014_000000202923.jpg
predict: a baseball game in progress with the batter up to plate.
references: [u'Batter, catcher, and umpire anticipating the next pitch.', u'A baseball player holding a baseball bat in the game.', u'A baseball player stands ready at the plate.', u'Baseball players on the field ready for the pitch.', u'A view from behind a mesh fence of a baseball game.']

文章小结 #

提出了利用Conditional Layer Normalization来将外部条件融入到预训练模型中的思路，其直接应用就是条件文本生成，但其实也不单单可以用于生成模型，也可以用于分类模型等场景（外部条件可能是其他模态的信息，来辅助分类）。最后基于bert4keras给出了代码实现以及两个例子。

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更详细的转载事宜请参考：《科学空间FAQ》

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