Attention注意力机制介绍

Posted 2021-01-15 hiyoung

什么是Attention机制

Attention机制通俗的讲就是把注意力集中放在重要的点上，而忽略其他不重要的因素。其中重要程度的判断取决于应用场景，拿个现实生活中的例子，比如1000个人眼中有1000个哈姆雷特。根据应用场景的不同，Attention分为空间注意力和时间注意力，前者用于图像处理，后者用于自然语言处理。本文主要介绍Attention机制在Seq2seq中的应用。

为什么要用Attention机制

我们知道在Seq2seq模型中，原始编解码模型的encode过程会生成一个中间向量C，用于保存原序列的语义信息。但是这个向量长度是固定的，当输入原序列的长度比较长时，向量C无法保存全部的语义信息，上下文语义信息受到了限制，这也限制了模型的理解能力。所以使用Attention机制来打破这种原始编解码模型对固定向量的限制。

Attention原理

Attention的原理就是计算当前输入序列与输出向量的匹配程度，匹配度高也就是注意力集中点其相对的得分越高（题外话：有木有很像线性模型，权重高的特征越重要。其实个人理解在机器学习中很多算法都具有相似性，比如线性回归加上一个分类函数sign就是Logistic回归，还有就是beam search和Viterbi算法，都是求概率最大序列）。其中Attention计算得到的匹配度权重，只限于当前序列对，不是像网络模型权重这样的整体权重。

算法过程：

1）encode对输入序列编码得到最后一个时间步的状态c，和每个时间步的输出h，其中c又作为decode的初始状态z0。

2）对于每个时间步的输出h与z0做匹配也就是match操作，得到每个时间步的匹配向量α01，如图1。

图1

3）对所有时间步的输出h与z0的匹配度α0，使用softmax做归一化处理，得到各个时间步对于z0的匹配分数。

4）求各个时间步的输出h与匹配分数的加权求和得到c0，作为decode的下一个时间步的输入，如图2。

图2

5）计算各个时间步的输出h与z1的匹配度得到c1作为decode下一个时间步的输入，如此一步一步重复下去，如图3。

图3

这样就可以把每个时间步重要的信息传给decode中，以上就是Attention机制的处理过程。其中match操作一般是求两个向量的相似度，通常有如下方法：
1）余弦相似度
2）一个简单的 神经网络，输入为hh和ww，输出为α
3）或者矩阵变换α=hTWzα=hTWz (Multiplicative attention，Luong et al., 2015) 

在tensorflow1.0版本以后的api seq2seq库中，包含了两种Attention算法，他们的区别就是match操作的不同，因此也有人称他们为加法Attention和乘法Attention，具体内容下：

1）BahdanauAttention：论文https://arxiv.org/abs/1409.0473中的实现：

图4

2）LuongAttention：论文https://arxiv.org/abs/1508.04025中的实现 ：

图5

由于图片来自不同地方，所以符号有些不同，图4和图5中的h是上文所说的每个时间步的输出向量，d是decode中每个时间步的状态，也就是上文中的z，c是match后计算的权值加和后的向量用于decode中每个时间步的输入，a就是match操作中经过softmax后的匹配权重，v是一个向量，相当于w一样的权重需要去学习。有上面两个公式可以看出，BahdanauAttention和LuongAttention的区别就是在match过程中的计算方式不同，一个是将decode的状态与encode的输出求和，一个是求乘，所以才有了加法Attention和乘法Attention的叫法。

待更新。。

参考：

台大李宏毅课程