自然语言处理主题建模：BERTopic（实战篇）

Posted 2023-03-02 皮皮要HAPPY

主题建模：BERTopic（实战篇）

BERTopic 是基于深度学习的一种主题建模方法。$2018$ 年底，$Devlinetal.$ 提出了 Bidirectional Encoder Representations from Transformers (BERT)${}^{[1]}$。BERT 是一种用于 NLP 的预训练策略，它成功地利用了句子的深层语义信息${}^{[2]}$。

1.加载数据

本次实验数据使用的是 fetch_20newsgroups 数据集。

from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups

dataset = fetch_20newsgroups(subset='train', remove=('headers', 'footers', 'quotes'))['data']

print(len(dataset)) # the length of the data
print(type(dataset)) # the type of variable the data is stored in 
print(dataset[:2]) # the first instance of the content within the data

import pandas as pd
import numpy as np

# Creating a dataframe from the data imported 
full_train = pd.DataFrame() 
full_train['text'] = dataset
full_train['text'] = full_train['text'].fillna('').astype(str) # removing any nan type objects
full_train

2.数据预处理

对于英文文本来说，一般是经过 分词、词形还原、去除停用词 等步骤，但也不是必须的。

import nltk
from nltk.stem import WordNetLemmatizer
from nltk.tokenize import word_tokenize

# If the following packages are not already downloaded, the following lines are needed 
# nltk.download('wordnet')
# nltk.download('omw-1.4')
# nltk.download('punkt')

filtered_text = []

lemmatizer = WordNetLemmatizer()

for i in range(len(full_train)):
    text = lemmatizer.lemmatize(full_train.loc[i,'text'])
    text = text.replace('\\n',' ')
    filtered_text.append(text)
    
filtered_text[:1]

3.BERTopic 建模

from bertopic import BERTopic
from sentence_transformers import SentenceTransformer
from umap import UMAP
from hdbscan import HDBSCAN
from bertopic.vectorizers import ClassTfidfTransformer

3.1 嵌入（Embeddings）

在 BERTopic 中，all-MiniLM-L6-v2 作为处理英文文本的默认嵌入模型，paraphrase-multilingual-MiniLM-L12-v2 提供对另外 $50$ 多种语言的嵌入支持。当然，Sentence-Transformers 还提供了很多其他的嵌入模型。

我们甚至可以不选择 Sentence-Transformers 提供的任何一种嵌入方法，而改用 Flair、Spacy、Gensim 等提供的嵌入方法，那么安装时候则需要选择：

pip install bertopic[flair]
pip install bertopic[gensim]
pip install bertopic[spacy]

注意：如果这些模型比较难下载，可以先从官网手动下载，再加载对应的路径即可。比如下面用到的 all-MiniLM-L6-v2 就是博主先手动下载到文件夹下的。

# Step 1 - Extract embeddings
embedding_model = SentenceTransformer('sentence-transformers/all-MiniLM-L6-v2')

3.2 降维（Dimensionality Reduction）

除了利用默认的 UMAP 降维，我们还可以使用 PCA、Truncated SVD、cuML UMAP 等降维技术。

# Step 2 - Reduce dimensionality
umap_model = UMAP(n_neighbors=15, n_components=5, min_dist=0.0, metric='cosine')

• n_neighbors：此参数控制 UMAP 如何平衡数据中的局部结构与全局结构。值越小 UMAP 越专注于局部结构；值越大 UMAP 越专注于全局结构。
• n_components：该参数允许用户确定将嵌入数据的降维空间的维数。与其他一些可视化算法（例如 t-SNE）不同，UMAP 在嵌入维度上具有很好的扩展性，不仅仅只能用于 $2$ 维或 $3$ 维的可视化。
• min_dist：该参数控制允许 UMAP 将点打包在一起的紧密程度。从字面上看，它提供了允许点在低维表示中的最小距离。值越小嵌入越密集。
• metric：该参数控制了如何在输入数据的环境空间中计算距离。

详情参见：https://umap-learn.readthedocs.io/en/latest/parameters.html

3.3 聚类（Clustering）

除了默认的 HDBSCAN，K-Means 聚类算法在原作者的实验上表现也非常好，当然也可以选择其他的聚类算法。

# Step 3 - Cluster reduced embeddings
hdbscan_model = HDBSCAN(min_cluster_size=15, metric='euclidean', cluster_selection_method='eom', prediction_data=True)

• min_cluster_size：影响生成的聚类的主要参数。理想情况下，这是一个相对直观的参数来选择：将其设置为你希望考虑集群的最小大小的分组。
• cluster_selection_method：该参数确定 HDBSCAN 如何从簇树层次结构中选择平面簇。默认方法是 eom，表示 Excess of Mass。
• prediction_data：确保 HDBSCAN 在拟合模型时进行一些额外的计算，从而显著加快以后的预测查询速度。

详情参见：https://hdbscan.readthedocs.io/en/latest/parameter_selection.html

3.4 序列化（Tokenizer）

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer

# Step 4 - Tokenize topics
vectorizer_model = CountVectorizer(stop_words="english")

3.5 加权（Weighting scheme）

此处的加权是利用了基于 TF-IDF 改进的 c-TF-IDF，也可以使用基于类 BM25 的加权方案，或者对 TF 进行开方处理。

• $W_{x,c}=||t{f}_{x,c}||\times log(1+\frac{A}{f_x})$
• 基于类 BM25 的加权方案：$log(1+\frac{A-f_x+0.5}{f_x+0.5})$
• 减少词频：$||\sqrt{t{f}_{x,c}}||$

注：我在《文本相似度算法：TF-IDF与BM25》这篇博客中详细介绍了 BM25 算法。

# Step 5 - Create topic representation
ctfidf_model = ClassTfidfTransformer()

4.训练模型

topic_model = BERTopic(
    embedding_model=embedding_model,    # Step 1 - Extract embeddings
    umap_model=umap_model,              # Step 2 - Reduce dimensionality
    hdbscan_model=hdbscan_model,        # Step 3 - Cluster reduced embeddings
    vectorizer_model=vectorizer_model,  # Step 4 - Tokenize topics
    ctfidf_model=ctfidf_model,          # Step 5 - Extract topic words
    diversity=0.5,                      # Step 6 - Diversify topic words
    nr_topics=10                        
)

几个常用的参数：

• diversity：是否使用 MMR（Maximal Marginal Relevance，最大边际相关性）来多样化生成的主题表示。如果设置为 None，则不会使用 MMR。可接受的值介于 $0$ 和 $1$ 之间，$0$ 表示完全不多样化，$1$ 表示最多样化。
• nr_topics：指定主题数会将初始主题数减少到指定的值。这种减少可能需要一段时间，因为每次减少主题 ($-1$) 都会激活 c-TF-IDF 计算。如果将其设置为 None，则不会应用任何减少。将其设置为 ‘auto’，则 HDBSCAN 自动减少主题。
• calculate_probabilities：默认为 False。是否计算每篇文档所有主题的概率，而不是计算每篇文档指定主题的概率。如果文档较多（$>100000$），这可能会减慢主题的提取速度。如果为 False，则不能使用相应的可视化方法 visualize_probabilities。

博主测试的训练时间大概是 $10$ 分钟。

topics, probabilities = topic_model.fit_transform(filtered_text)

topic_model.get_document_info(filtered_text)

topic_model.get_topic_freq()

topic_model.get_topic(0)

5.可视化结果

BERTopic 提供了多种类型的可视化方法，以帮助我们从不同的方面评估模型。后续我会专门出一篇博客针对 BERTopic 中的可视化进行详细介绍，此处仅对一些常用的可视化方法进行总结。

5.1 Barchart

可视化所选主题的条形图。

topic_model.visualize_barchart()

5.2 Documents

在 2D 中可视化文档及其主题。

embeddings = embedding_model.encode(filtered_text, show_progress_bar=False)

# Run the visualization with the original embeddings
topic_model.visualize_documents(filtered_text, embeddings=embeddings)

5.3 Hierarchy Topics

基于主题嵌入之间的余弦距离矩阵执行层次聚类。

topic_model.visualize_hierarchy()

# Extract hierarchical topics and their representations
hierarchical_topics = topic_model.hierarchical_topics(filtered_text)

# Visualize these representations
topic_model.visualize_hierarchy(hierarchical_topics=hierarchical_topics)

5.4 Heatmap

基于主题嵌入之间的余弦相似度矩阵，创建了一个热图来显示主题之间的相似度。

topic_model.visualize_heatmap()

5.5 Term Score Decline

每个主题都由一组单词表示。然而，这些词以不同的权重来代表主题。本可视化方法显示了需要多少单词来表示一个主题，以及随着单词的添加，增益在什么时候开始下降。

topic_model.visualize_term_rank()

5.6 Topics

本可视化方法是受到了 LDAvis 的启发。LDAvis 是一种服务于 LDA 的可视化技术。

topic_model.visualize_topics()

6.评估

在 BERTopic 官网上并没有对评估这一块内容的介绍。但如果你想定量比较 LDA 和 BERTopic 的结果，则需要对评估方法加以掌握。

关于主题建模的评估方法，在我之前写的博客中也多次提到。可视化是一种良好的评估方法，但我们也希望以定量的方式对建模结果进行评估。主题连贯度（Topic Coherence）是最常用的评估指标之一。我们可以使用 Gensim 提供的 CoherenceModel 对结果进行进行评估。计算主题连贯度的方法很多，我们此处仅以 C_v 为例。

import gensim
import gensim.corpora as corpora
from gensim.models.coherencemodel import CoherenceModel

documents = pd.DataFrame("Document": filtered_text,
                          "ID": range(len(filtered_text)),
                          "Topic": topics)
documents.head()

documents_per_topic = documents.groupby(['Topic'], as_index=False).agg('Document': ' '.join)
documents_per_topic

cleaned_docs = topic_model._preprocess_text(documents_per_topic.Document.values)

# Extract vectorizer and analyzer from BERTopic
vectorizer = topic_model.vectorizer_model
analyzer = vectorizer.build_analyzer()

下面的内容主要涉及到 Gensim 中模型的使用，在我之前的博客中也有详细介绍，此处不再赘述。

# Extract features for Topic Coherence evaluation
words = vectorizer.get_feature_names()

tokens = [analyzer(doc) for doc in cleaned_docs]

dictionary = corpora.Dictionary(tokens)

corpus = [dictionary.doc2bow(token) for token in tokens]

topic_words = [[words for words, _ in topic_model.get_topic(topic)] for topic in range(len(set(topics))-1)]

不过，我们稍微看一下 topic_words 中的内容。

topic_words

topic_words 的结果是一个双重列表，含义是每一个主题所对应的代表词组。从上图中可以看到，有一个列表的结果中包含空字符串，必须把这个空字符串去掉，不然后面的连贯度计算会报错。（注意：博主在这个地方一开始出现了错误，经排查才发现）

a = []
for i in range(len(topic_words)):
    b = []
    for word in topic_words[i]:
        if word != '':
            b.append(word)
    a.append(b)
    
topic_words = a
topic_words

# Evaluate
coherence_model = CoherenceModel(topics=topic_words, 
                                 texts=tokens, 
                                 corpus=corpus,
                                 dictionary=dictionary, 
                                 coherence='c_v')
                                 
coherence = coherence_model.get_coherence()

print(coherence)

如果在一开始导入数据时，没有去除掉头尾的内容，按照下面这种方式导入，主题连贯度得分也会低不少。所以文本内容和有效的数据清理会对最后的结果会产生一定影响。

dataset = fetch_20newsgroups(subset='train')['data']

最后，对于本文中用到的几个包的版本特别说明一下。先安装 bertopic，再安装 gensim。

名称	版本	名称	版本
pandas	1.4.1	numpy	1.20.0
bertopic	0.13.0	gensim	3.8.3
nltk	3.8.1	scikit-learn	1.2.1
scipy	1.10.0	sentence-transformers	2.2.2

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参考文献

• [1] Devlin, J., Chang, M., Lee, K., & Toutanova, K. (2019). BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding. ArXiv, abs/1810.04805.

• [2] Soodeh Hosseini and Zahra Asghari Varzaneh. 2022. Deep text clustering using stacked AutoEncoder. Multimedia Tools Appl. 81, 8 (Mar 2022), 10861–10881. https://doi.org/10.1007/s11042-022-12155-0