18 May

简明条件随机场CRF介绍(附带纯Keras实现)

笔者去年曾写过博文《果壳中的条件随机场(CRF In A Nutshell)》,以一种比较粗糙的方式介绍了一下条件随机场(CRF)模型。然而那篇文章显然有很多不足的地方,比如介绍不够清晰,也不够完整,还没有实现,在这里我们重提这个模型,将相关内容补充完成。

本文是对CRF基本原理的一个简明的介绍。当然,“简明”是相对而言中,要想真的弄清楚CRF,免不了要提及一些公式,如果只关心调用的读者,可以直接移到文末。

图示

按照之前的思路,我们依旧来对比一下普通的逐帧softmax和CRF的异同。

逐帧softmax

CRF主要用于序列标注问题,可以简单理解为是给序列中的每一帧都进行分类,既然是分类,很自然想到将这个序列用CNN或者RNN进行编码后,接一个全连接层用softmax激活,如下图所示

逐帧softmax并没有直接考虑输出的上下文关联

逐帧softmax并没有直接考虑输出的上下文关联

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2 May

基于Conv1D的光谱分类模型(一维序列分类)

前段时间天池出了个天文数据挖掘竞赛——LAMOST光谱分类(将对应的光谱识别为4类中的一类),虽然没有奖金,但还是觉得挺有意思,所以就报名参加了。做了一段时间,成绩自我感觉还可以,然而最后我却忘记了(或者说根本就没留意到)初赛最后两天还有一步是提交新的测试集结果,然后就没有然后了,留下了一个未竟的模型,可谓“出师未捷身先死”,还是被自己弄死的~

天文数据挖掘大赛——天体光谱智能分类

天文数据挖掘大赛——天体光谱智能分类

后来跟其他参赛选手讨论了一下,发现其实我的这个模型还是不错的。当时我记得初赛第一名的成绩是0.83+,而我当时的成绩是0.82+,排名大概是第4、5左右,而且据说很多分数在0.8+的队伍都已经使用了融合模型,而我这0.82+的成绩仅仅是单模型的结果~在平时的群聊中发现也有不少朋友在做一维序列分类模型,而光谱分类本质上也就是一个一维的序列分类,所以分享一下模型,估计对相关朋友会有一定的参考价值。

模型

事实上也不是什么特别的模型,就是普通的一维卷积加残差,对于熟悉图像处理的朋友,这实在是再普通不过的结构了。

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15 Apr

基于CNN的阅读理解式问答模型:DGCNN

早在年初的《Attention is All You Need》的介绍文章中就已经承诺过会分享CNN在NLP中的使用心得,然而一直不得其便。这几天终于下定决心来整理一下相关的内容了。

背景

事不宜迟,先来介绍一下模型的基本情况。

模型特点

本模型——我称之为DGCNN——是基于CNN和简单的Attention的模型,由于没有用到RNN结构,因此速度相当快,而且是专门为这种WebQA式的任务定制的,因此也相当轻量级。SQUAD排行榜前面的模型,如AoA、R-Net等,都用到了RNN,并且还伴有比较复杂的注意力交互机制,而这些东西在DGCNN中基本都没有出现。

这是一个在GTX1060上都可以几个小时训练完成的模型!

截止到2018.04.14的排行榜

截止到2018.04.14的排行榜

DGCNN,全名为Dilate Gated Convolutional Neural Network,即“膨胀门卷积神经网络”,顾名思义,融合了两个比较新的卷积用法:膨胀卷积、门卷积,并增加了一些人工特征和trick,最终使得模型在轻、快的基础上达到最佳的效果。在本文撰写之时,本文要介绍的模型还位于榜首,得分(得分是准确率与F1的平均)为0.7583,而且是到目前为止唯一一个一直没有跌出前三名、并且获得周冠军次数最多的模型。

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6 Jan

《Attention is All You Need》浅读(简介+代码)

2017年中,有两篇类似同时也是笔者非常欣赏的论文,分别是FaceBook的《Convolutional Sequence to Sequence Learning》和Google的《Attention is All You Need》,它们都算是Seq2Seq上的创新,本质上来说,都是抛弃了RNN结构来做Seq2Seq任务。

这篇博文中,笔者对《Attention is All You Need》做一点简单的分析。当然,这两篇论文本身就比较火,因此网上已经有很多解读了(不过很多解读都是直接翻译论文的,鲜有自己的理解),因此这里尽可能多自己的文字,尽量不重复网上各位大佬已经说过的内容。

序列编码

深度学习做NLP的方法,基本上都是先将句子分词,然后每个词转化为对应的词向量序列。这样一来,每个句子都对应的是一个矩阵$\boldsymbol{X}=(\boldsymbol{x}_1,\boldsymbol{x}_2,\dots,\boldsymbol{x}_t)$,其中$\boldsymbol{x}_i$都代表着第$i$个词的词向量(行向量),维度为$d$维,故$\boldsymbol{X}\in \mathbb{R}^{n\times d}$。这样的话,问题就变成了编码这些序列了。

第一个基本的思路是RNN层,RNN的方案很简单,递归式进行:
$$\boldsymbol{y}_t = f(\boldsymbol{y}_{t-1},\boldsymbol{x}_t)$$
不管是已经被广泛使用的LSTM、GRU还是最近的SRU,都并未脱离这个递归框架。RNN结构本身比较简单,也很适合序列建模,但RNN的明显缺点之一就是无法并行,因此速度较慢,这是递归的天然缺陷。另外我个人觉得RNN无法很好地学习到全局的结构信息,因为它本质是一个马尔科夫决策过程

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25 Dec

从loss的硬截断、软化到focal loss

前言

今天在QQ群里的讨论中看到了focal loss,经搜索它是Kaiming大神团队在他们的论文《Focal Loss for Dense Object Detection》提出来的损失函数,利用它改善了图像物体检测的效果。不过我很少做图像任务,不怎么关心图像方面的应用。本质上讲,focal loss就是一个解决分类问题中类别不平衡、分类难度差异的一个loss,总之这个工作一片好评就是了。大家还可以看知乎的讨论:
《如何评价kaiming的Focal Loss for Dense Object Detection?》

看到这个loss,开始感觉很神奇,感觉大有用途。因为在NLP中,也存在大量的类别不平衡的任务。最经典的就是序列标注任务中类别是严重不平衡的,比如在命名实体识别中,显然一句话里边实体是比非实体要少得多,这就是一个类别严重不平衡的情况。我尝试把它用在我的基于序列标注的问答模型中,也有微小提升。嗯,这的确是一个好loss。

接着我再仔细对比了一下,我发现这个loss跟我昨晚构思的一个loss具有异曲同工之理!这就促使我写这篇博文了。我将从我自己的思考角度出发,来分析这个问题,最后得到focal loss,也给出我昨晚得到的类似的loss。

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25 Nov

果壳中的条件随机场(CRF In A Nutshell)

本文希望用尽可能简短的语言把CRF(条件随机场,Conditional Random Field)的原理讲清楚,这里In A Nutshell在英文中其实有“导论”、“科普”等意思(霍金写过一本《果壳中的宇宙》,这里东施效颦一下)。

网上介绍CRF的文章,不管中文英文的,基本上都是先说一些概率图的概念,然后引入特征的指数公式,然后就说这是CRF。所谓“概率图”,只是一个形象理解的说法,然而如果原理上说不到点上,你说太多形象的比喻,反而让人糊里糊涂,以为你只是在装逼。(说到这里我又想怼一下了,求解神经网络,明明就是求一下梯度,然后迭代一下,这多好理解,偏偏还弄个装逼的名字叫“反向传播”,如果不说清楚它的本质是求导和迭代求解,一下子就说反向传播,有多少读者会懂?)

好了,废话说完了,来进入正题。

逐标签Softmax

CRF常见于序列标注相关的任务中。假如我们的模型输入为$Q$,输出目标是一个序列$a_1,a_2,\dots,a_n$,那么按照我们通常的建模逻辑,我们当然是希望目标序列的概率最大
$$P(a_1,a_2,\dots,a_n|Q)$$
不管用传统方法还是用深度学习方法,直接对完整的序列建模是比较艰难的,因此我们通常会使用一些假设来简化它,比如直接使用朴素假设,就得到
$$P(a_1,a_2,\dots,a_n|Q)=P(a_1|Q)P(a_2|Q)\dots P(a_n|Q)$$

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14 Oct

训练集、验证集和测试集的意义

在有监督的机器学习中,经常会说到训练集(train)、验证集(validation)和测试集(test),这三个集合的区分可能会让人糊涂,特别是,有些读者搞不清楚验证集和测试集有什么区别。

划分

如果我们自己已经有了一个大的标注数据集,想要完成一个有监督模型的测试,那么通常使用均匀随机抽样的方式,将数据集划分为训练集、验证集、测试集,这三个集合不能有交集,常见的比例是8:1:1,当然比例是人为的。从这个角度来看,三个集合都是同分布的。

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22 Jul

Keras中自定义复杂的loss函数

Keras是一个搭积木式的深度学习框架,用它可以很方便且直观地搭建一些常见的深度学习模型。在tensorflow出来之前,Keras就已经几乎是当时最火的深度学习框架,以theano为后端,而如今Keras已经同时支持四种后端:theano、tensorflow、cntk、mxnet(前三种官方支持,mxnet还没整合到官方中),由此可见Keras的魅力。

Keras是很方便,然而这种方便不是没有代价的,最为人诟病之一的缺点就是灵活性较低,难以搭建一些复杂的模型。的确,Keras确实不是很适合搭建复杂的模型,但并非没有可能,而是搭建太复杂的模型所用的代码量,跟直接用tensorflow写也差不了多少。但不管怎么说,Keras其友好、方便的特性(比如那可爱的训练进度条),使得我们总有使用它的场景。这样,如何更灵活地定制Keras模型,就成为一个值得研究的课题了。这篇文章我们来关心自定义loss。

输入-输出设计

Keras的模型是函数式的,即有输入,也有输出,而loss即为预测值与真实值的某种误差函数。Keras本身也自带了很多loss函数,如mse、交叉熵等,直接调用即可。而要自定义loss,最自然的方法就是仿照Keras自带的loss进行改写。

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