科学空间|Scientific Spaces

本文我们继续之前的变分自编码器系列，分析一下如何防止NLP中的VAE模型出现“KL散度消失（KL Vanishing）”现象。本文受到参考文献是ACL 2020的论文《A Batch Normalized Inference Network Keeps the KL Vanishing Away》的启发，并自行做了进一步的完善。

值得一提的是，本文最后得到的方案还是颇为简洁的——只需往编码输出加入BN（Batch Normalization），然后加个简单的scale——但确实很有效，因此值得正在研究相关问题的读者一试。同时，相关结论也适用于一般的VAE模型（包括CV的），如果按照笔者的看法，它甚至可以作为VAE模型的“标配”。

最后，要提醒读者这算是一篇VAE的进阶论文，所以请读者对VAE有一定了解后再来阅读本文。

VAE简单回顾

这里我们简单回顾一下VAE模型，并且讨论一下VAE在NLP中所遇到的困难。关于VAE的更详细介绍，请读者参考笔者的旧作《变分自编码器（一）：原来是这么一回事》、《变分自编码器（二）：从贝叶斯观点出发》等。

VAE的训练流程

VAE的训练流程大概可以图示为

VAE训练流程图示

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语言处理

在《文本情感分类（一）：传统模型》一文中，笔者简单介绍了进行文本情感分类的传统思路。传统的思路简单易懂，而且稳定性也比较强，然而存在着两个难以克服的局限性：一、精度问题，传统思路差强人意，当然一般的应用已经足够了，但是要进一步提高精度，却缺乏比较好的方法；二、背景知识问题，传统思路需要事先提取好情感词典，而这一步骤，往往需要人工操作才能保证准确率，换句话说，做这个事情的人，不仅仅要是数据挖掘专家，还需要语言学家，这个背景知识依赖性问题会阻碍着自然语言处理的进步。

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经过第一、二步，我们已经能够找出图像中单个文字的区域，接下来可以建立相应的模型对单字进行识别.

模型选择

在模型方面，我们选择了深度学习中的卷积神经网络模型，通过多层卷积神经网络，构建了单字的识别模型.

卷积神经网络是人工神经网络的一种，已成为当前图像识别领域的主流模型. 它通过局部感知野和权值共享方法，降低了网络模型的复杂度，减少了权值的数量，在网络结构上更类似于生物神经网络，这也预示着它必然具有更优秀的效果. 事实上，我们选择卷积神经网络的主要原因有：

1. 对原始图像自动提取特征 卷积神经网络模型可以直接将原始图像进行输入，免除了传统模型的人工提取特征这一比较困难的核心部分；

2. 比传统模型更高的精度 比如在MNIST手写数字识别任务中，可以达到99%以上的精度，这远高于传统模型的精度；

3. 比传统模型更好的泛化能力 这意味着图像本身的形变(伸缩、旋转)以及图像上的噪音对识别的结果影响不明显，这正是一个良好的OCR系统所必需的.

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去年泰迪杯竞赛过后，笔者写了一篇简要介绍深度学习在情感分析中的应用的博文《文本情感分类（二）：深度学习模型》。虽然文章很粗糙，但还是得到了不少读者的反响，让我颇为意外。然而，那篇文章中在实现上有些不清楚的地方，这是因为：1、在那篇文章以后，keras已经做了比较大的改动，原来的代码不通用了；2、里边的代码可能经过我随手改动过，所以发出来的时候不是最适当的版本。因此，在近一年之后，我再重拾这个话题，并且完成一些之前没有完成的测试。

为什么要用深度学习模型？除了它更高精度等原因之外，还有一个重要原因，那就是它是目前唯一的能够实现“端到端”的模型。所谓“端到端”，就是能够直接将原始数据和标签输入，然后让模型自己完成一切过程——包括特征的提取、模型的学习。而回顾我们做中文情感分类的过程，一般都是“分词——词向量——句向量(LSTM)——分类”这么几个步骤。虽然很多时候这种模型已经达到了state of art的效果，但是有些疑问还是需要进一步测试解决的。对于中文来说，字才是最低粒度的文字单位，因此从“端到端”的角度来看，应该将直接将句子以字的方式进行输入，而不是先将句子分好词。那到底有没有分词的必要性呢？本文测试比较了字one hot、字向量、词向量三者之间的效果。

模型测试

本文测试了三个模型，或者说，是三套框架，具体代码在文末给出。这三套框架分别是：

1、one hot：以字为单位，不分词，将每个句子截断为200字（不够则补空字符串），然后将句子以“字-one hot”的矩阵形式输入到LSTM模型中进行学习分类；

2、one embedding：以字为单位，不分词，，将每个句子截断为200字（不够则补空字符串），然后将句子以“字-字向量(embedding)“的矩阵形式输入到LSTM模型中进行学习分类；

3、word embedding：以词为单位，分词，，将每个句子截断为100词（不够则补空字符串），然后将句子以“词-词向量(embedding)”的矩阵形式输入到LSTM模型中进行学习分类。

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词向量，英文名叫Word Embedding，按照字面意思，应该是词嵌入。说到词向量，不少读者应该会立马想到Google出品的Word2Vec，大牌效应就是不一样。另外，用Keras之类的框架还有一个Embedding层，也说是将词ID映射为向量。由于先入为主的意识，大家可能就会将词向量跟Word2Vec等同起来，而反过来问“Embedding是哪种词向量？”这类问题，尤其是对于初学者来说，应该是很混淆的。事实上，哪怕对于老手，也不一定能够很好地说清楚。

这一切，还得从one hot说起...

五十步笑百步

one hot，中文可以翻译为“独热”，是最原始的用来表示字、词的方式。为了简单，本文以字为例，词也是类似的。假如词表中有“科、学、空、间、不、错”六个字，one hot就是给这六个字分别用一个0-1编码：
$$\begin{array}{c|c}\hline\text{科} & [1, 0, 0, 0, 0, 0]\\
\text{学} & [0, 1, 0, 0, 0, 0]\\
\text{空} & [0, 0, 1, 0, 0, 0]\\
\text{间} & [0, 0, 0, 1, 0, 0]\\
\text{不} & [0, 0, 0, 0, 1, 0]\\
\text{错} & [0, 0, 0, 0, 0, 1]\\
\hline
\end{array}$$

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这个系列慢慢写到第7篇，基本上也把分词的各种模型理清楚了，除了一些细微的调整（比如最后的分类器换成CRF）外，剩下的就看怎么玩了。基本上来说，要速度，就用基于词典的分词，要较好地解决组合歧义何和新词识别，则用复杂模型，比如之前介绍的LSTM、FCN都可以。但问题是，用深度学习训练分词器，需要标注语料，这费时费力，仅有的公开的几个标注语料，又不可能赶得上时效，比如，几乎没有哪几个公开的分词系统能够正确切分出“扫描二维码，关注微信号”来。

本文就是做了这样的一个实验，仅用一个词典，就完成了一个深度学习分词器的训练，居然效果还不错！这种方案可以称得上是半监督的，甚至是无监督的。

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文本情感分类其实就是一个二分类问题，事实上，对于分类模型，都会存在这样一个毛病：优化目标跟考核指标不一致。通常来说，对于分类（包括多分类），我们都会采用交叉熵作为损失函数，它的来源就是最大似然估计（参考《梯度下降和EM算法：系出同源，一脉相承》）。但是，我们最后的评估目标，并非要看交叉熵有多小，而是看模型的准确率。一般来说，交叉熵很小，准确率也会很高，但这个关系并非必然的。

要平均，不一定要拔尖

一个更通俗的例子是：一个数学老师，在努力提高同学们的平均分，但期末考核的指标却是及格率（60分及格）。假如平均分是100分（也就意味着所有同学都考到了100分），那么自然及格率是100%，这是最理想的。但现实不一定这么美好，平均分越高，只要平均分还没有达到100，那么及格率却不一定越高，比如两个人分别考40和90，那么平均分就是65，及格率只有50%；如果两个人的成绩都是60，平均分就是60，及格率却有100%。这也就是说，平均分可以作为一个目标，但这个目标并不直接跟考核目标挂钩。

那么，为了提升最后的考核目标，这个老师应该怎么做呢？很显然，首先看看所有学生中，哪些同学已经及格了，及格的同学先不管他们，而针对不及格的同学进行补课加强，这样一来，原则上来说有很多不及格的同学都能考上60分了，也有可能一些本来及格的同学考不够60分了，但这个过程可以迭代，最终使得大家都在60分以上，当然，最终的平均分不一定很高，但没办法，谁叫考核目标是及格率呢？

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Saliency Maps for RNN

RNN是很多序列任务的不二法门，比如文本分类任务的常用方法就是“词向量+LSTM+全连接分类器”。如下图

RNN分类器

假如这样的一个模型可以良好地工作，那么现在考虑一个任务是：如何衡量输入$w_1,\dots,w_n$对最终的分类结果的影响的重要程度（Saliency）呢？例如假设这是一个情感分类任务，那么怎么找出是哪些词对最终的分类有较为重要的影响呢？本文给出了一个较为直接的思路。

思路的原理很简单，因为我们是将RNN最后一步的状态向量（也就是绿色阴影所代表的向量）传递给后面的分类器进行分类的，因此最后一步的状态向量$\boldsymbol{h}_n$就是一个目标向量。而RNN是一个递推的过程，

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