Attention机制学习记录之Transformer

Posted 2022-11-25 彭祥.

前言

注意力（Attention）机制[2]由Bengio团队与2014年提出并在近年广泛的应用在深度学习中的各个领域，例如在计算机视觉方向用于捕捉图像上的感受野，或者NLP中用于定位关键token或者特征。谷歌团队近期提出的用于生成词向量的BERT[3]算法在NLP的11项任务中取得了效果的大幅提升，堪称2018年深度学习领域最振奋人心的消息。而BERT算法的最重要的部分便是本文中提出的Transformer的概念。

正如论文的题目所说的，**Transformer中抛弃了传统的CNN和RNN，整个网络结构完全是由Attention机制组成。更准确地讲，Transformer由且仅由self-Attenion和Feed Forward Neural Network组成。**一个基于Transformer的可训练的神经网络可以通过堆叠Transformer的形式进行搭建，作者的实验是通过搭建编码器和解码器各6层，总共12层的Encoder-Decoder，并在机器翻译中取得了BLEU值得新高。

作者采用Attention机制的原因是考虑到RNN（或者LSTM，GRU等）的计算限制为是顺序的，也就是说RNN相关算法只能从左向右依次计算或者从右向左依次计算，这种机制带来了两个问题：

时间片 的计算依赖 时刻的计算结果，这样限制了模型的并行能力；
顺序计算的过程中信息会丢失，尽管LSTM等门机制的结构一定程度上缓解了长期依赖的问题，但是对于特别长期的依赖现象,LSTM依旧无能为力。
Transformer的提出解决了上面两个问题，首先它使用了Attention机制，将序列中的任意两个位置之间的距离是缩小为一个常量；其次它不是类似RNN的顺序结构，因此具有更好的并行性，符合现有的GPU框架。论文中给出Transformer的定义是：

Transformer is the first transduction model relying entirely on
self-attention to compute representations of its input and output
without using sequence aligned RNNs or convolution。

遗憾的是，作者的论文比较难懂，尤其是Transformer的结构细节和实现方式并没有解释清楚。尤其是论文中的 ， ， 究竟代表什么意思作者并没有说明。通过查阅资料，发现了一篇非常优秀的讲解Transformer的技术博客。本文中的大量插图也会从该博客中截取。首先感谢Jay Alammer详细的讲解，其次推荐大家去阅读原汁原味的文章。

1. Transformer 详解

1.1 高层Transformer

论文中的验证Transformer的实验室基于机器翻译的，下面我们就以机器翻译为例子详细剖析Transformer的结构，在机器翻译中，Transformer可概括为如图1：

如论文中所设置的，编码器由6个编码block组成，同样解码器是6个解码block组成。与所有的生成模型相同的是，编码器的输出会作为解码器的输入，如图3所示：

我们继续分析每个encoder的详细结构：在Transformer的encoder中，数据首先会经过一个叫做‘self-attention’的模块得到一个加权之后的特征向量 Z ，这个Z 便是论文公式1中的 Attention(Q,K,V)：

得到 Z 之后，它会被送到encoder的下一个模块，即Feed Forward Neural Network。这个全连接有两层，第一层的激活函数是ReLU，第二层是一个线性激活函数，可以表示为：

Encoder的结构如图4所示：

Decoder的结构如图5所示，它和encoder的不同之处在于Decoder多了一个Encoder-Decoder Attention，两个Attention分别用于计算输入和输出的权值：

Self-Attention：当前翻译和已经翻译的前文之间的关系；
Encoder-Decnoder Attention：当前翻译和编码的特征向量之间的关系。

1.2 输入编码

1.1节介绍的就是Transformer的主要框架，下面我们将介绍它的输入数据。如图6所示，首先通过Word2Vec等词嵌入方法将输入语料转化成特征向量，论文中使用的词嵌入的维度为 d_model=512 。

在最底层的block中， X 将直接作为Transformer的输入，而在其他层中，输入则是上一个block的输出。为了画图更简单，我们使用更简单的例子来表示接下来的过程，如图7所示：

1.3 Self-Attention

Self-Attention是Transformer最核心的内容，然而作者并没有详细讲解，下面我们来补充一下作者遗漏的地方。回想Bahdanau等人提出的用Attention[2]，其核心内容是为输入向量的每个单词学习一个权重，例如在下面的例子中我们判断it代指的内容，

The animal didn’t cross the street because it was too tired

通过加权之后可以得到类似图8的加权情况，在讲解self-attention的时候我们也会使用图8类似的表示方式

在self-attention中，每个单词有3个不同的向量，它们分别是Query向量（ Q），Key向量（ K ）和Value向量（ V ），长度均是64。它们是通过3个不同的权值矩阵由嵌入向量 X 乘以三个不同的权值矩阵 W^Q ，W^K ，W^V 得到，其中三个矩阵的尺寸也是相同的。均是 512*64 。
注意是每个单词都有这三个向量

即1512X51264=1*64

那么Query，Key，Value是什么意思呢？它们在Attention的计算中扮演着什么角色呢？我们先看一下Attention的计算方法，整个过程可以分成7步：

如上文，将输入单词转化成嵌入向量；
根据嵌入向量得到 Q，K ，V 三个向量；
为每个向量计算一个score：score=Q*K ；
为了梯度的稳定，Transformer使用了score归一化，即除以 $\sqrt[2]{dk}$；
对score施以softmax激活函数；
softmax点乘Value值 ，得到加权的每个输入向量的评分v ；
相加之后得到最终的输出结果 ：Z=${\sum }_{i=0}^n$ v 。

上面步骤的可以表示为该图的形式。

实际计算过程中是采用基于矩阵的计算方式，那么论文中的 Q ，K ，V 的计算方式如图11：注意 X, Q, K, V 的每一行都表示一个单词

总结为矩阵形式：

详细计算过程如下：
公式中计算矩阵Q和K每一行向量的内积，为了防止内积过大，因此除以 d_k 的平方根。Q乘以K的转置后，得到的矩阵行列数都为 n，n 为句子单词数，这个矩阵可以表示单词之间的 attention 强度。下图为Q乘以 K^T ，1234 表示的是句子中的单词。
对该式的解释：
d_k是Q，K矩阵的列数，即向量的维度,Q,K,V如何得到呢，在self-Attention有相关介绍

得到 QK^T之后，使用 Softmax 计算每一个单词对于其他单词的 attention 系数，公式中的 Softmax 是对矩阵的每一行进行 Softmax，即每一行的和都变为 1.

得到 Softmax 矩阵之后可以和V相乘，得到最终的输出Z。

上图中 Softmax 矩阵的第 1 行表示单词 1 与其他所有单词的 attention 系数，最终单词 1 的输出 Zi 等于所有单词 i 的值 Vi 根据 attention 系数的比例加在一起得到，如下图所示：

在self-attention需要强调的最后一点是其采用了残差网络中的short-cut结构，目的当然是解决深度学习中的退化问题，得到的最终结果如下图。

Query，Key，Value的概念取自于信息检索系统，举个简单的搜索的例子来说。当你在某电商平台搜索某件商品（年轻女士冬季穿的红色薄款羽绒服）时，你在搜索引擎上输入的内容便是Query，然后搜索引擎根据Query为你匹配Key（例如商品的种类，颜色，描述等），然后根据Query和Key的相似度得到匹配的内容（Value)。

self-attention中的Q，K，V也是起着类似的作用，在矩阵计算中，点积是计算两个矩阵相似度的方法之一，因此式1中使用了QK^T 进行相似度的计算。接着便是根据相似度进行输出的匹配，这里使用了加权匹配的方式，而权值就是query与key的相似度。

1.4 Multi-Head Attention

而 Multi-Head Attention 是由多个 Self-Attention 组合形成的，下图是论文中 Multi-Head Attention 的结构图。

Multi-Head Attention相当于 h 个不同的self-attention的集成（ensemble），在这里我们以 h=8 举例说明。Multi-Head Attention的输出分成3步：
将数据 X 分别输入到图13所示的8个self-attention中，得到8个加权后的特征矩阵 Z_i i=1,2…8 。
将8个Z_i 按列拼成一个大的特征矩阵；
特征矩阵经过一层全连接后得到输出 Z 。

得到 8 个输出矩阵 Z₁ 到 Z₈ 之后，Multi-Head Attention 将它们拼接在一起 (Concat)，然后传入一个Linear层，得到 Multi-Head Attention 最终的输出Z。

可以看到 Multi-Head Attention 输出的矩阵Z与其输入的矩阵X的维度是一样的。
同self-attention一样，multi-head attention也加入了short-cut机制。

1.5 Encoder-Decoder Attention

在解码器中，Transformer block比编码器中多了个encoder-cecoder attention。在encoder-decoder attention中， Q 来自于解码器的上一个输出，K 和 V 则来自于与编码器的输出。其计算方式相同。

由于在机器翻译中，解码过程是一个顺序操作的过程，也就是当解码第 K 个特征向量时，我们只能看到第 K-1 及其之前的解码结果，论文中把这种情况下的multi-head attention叫做masked multi-head attention。

解码器解码之后，解码的特征向量经过一层激活函数为softmax的全连接层之后得到反映每个单词概率的输出向量。

2.Encoder层详解

上图红色部分是 Transformer 的 Encoder block 结构，可以看到是由 Multi-Head Attention, Add & Norm, Feed Forward, Add & Norm 组成的。刚刚已经了解了 Multi-Head Attention 的计算过程，现在了解一下 Add & Norm 和 Feed Forward 部分。

2.1 Add & Norm

Add & Norm 层由 Add 和 Norm 两部分组成，其计算公式如下：

其中 X表示 Multi-Head Attention 或者 Feed Forward 的输入，MultiHeadAttention(X) 和 FeedForward(X) 表示输出 (输出与输入 X 维度是一样的，所以可以相加)。

Add指 X+MultiHeadAttention(X)，是一种残差连接，通常用于解决多层网络训练的问题，可以让网络只关注当前差异的部分，在 ResNet 中经常用到：

Norm指 Layer Normalization，通常用于 RNN 结构，Layer Normalization 会将每一层神经元的输入都转成均值方差都一样的，这样可以加快收敛。

2.2 Feed Forward

Feed Forward 层比较简单，是一个两层的全连接层，第一层的激活函数为 Relu，第二层不使用激活函数，对应的公式如下。

X是输入，Feed Forward 最终得到的输出矩阵的维度与X一致。

2.3 组成 Encoder

通过上面描述的 Multi-Head Attention, Feed Forward, Add & Norm 就可以构造出一个 Encoder block，Encoder block 接收输入矩阵 X_n*d ，并输出一个矩阵O_n*d 。通过多个 Encoder block 叠加就可以组成 Encoder。

第一个 Encoder block 的输入为句子单词的表示向量矩阵，后续 Encoder block 的输入是前一个 Encoder block 的输出，最后一个 Encoder block 输出的矩阵就是编码信息矩阵 C，这一矩阵后续会用到 Decoder 中。

3.Decoder 结构

上图红色部分为 Transformer 的 Decoder block 结构，与 Encoder block 相似，但是存在一些区别：

包含两个 Multi-Head Attention 层。
第一个 Multi-Head Attention 层采用了 Masked 操作。
第二个 Multi-Head Attention 层的K, V矩阵使用 Encoder 的编码信息矩阵C进行计算，而Q使用上一个 Decoder block 的输出计算。
最后有一个 Softmax 层计算下一个翻译单词的概率。

3.1 第一个 Multi-Head Attention

Decoder block 的第一个 Multi-Head Attention 采用了 Masked 操作，因为在翻译的过程中是顺序翻译的，即翻译完第 i 个单词，才可以翻译第 i+1 个单词。通过 Masked 操作可以防止第 i 个单词知道 i+1 个单词之后的信息。下面以 “我有一只猫” 翻译成 “I have a cat” 为例，了解一下 Masked 操作。

下面的描述中使用了类似 Teacher Forcing 的概念，不熟悉 Teacher Forcing 的童鞋可以参考以下上一篇文章Seq2Seq 模型详解。在 Decoder 的时候，是需要根据之前的翻译，求解当前最有可能的翻译，如下图所示。首先根据输入 “” 预测出第一个单词为 “I”，然后根据输入 “ I” 预测下一个单词 “have”。

Decoder 可以在训练的过程中使用 Teacher Forcing 并且并行化训练，即将正确的单词序列 ( I have a cat) 和对应输出 (I have a cat ) 传递到 Decoder。那么在预测第 i 个输出时，就要将第 i+1 之后的单词掩盖住，注意 Mask 操作是在 Self-Attention 的 Softmax 之前使用的，下面用 0 1 2 3 4 5 分别表示 “ I have a cat ”。

第一步：是 Decoder 的输入矩阵和 Mask 矩阵，输入矩阵包含 “ I have a cat” (0, 1, 2, 3, 4) 五个单词的表示向量，Mask 是一个 5×5 的矩阵。在 Mask 可以发现单词 0 只能使用单词 0 的信息，而单词 1 可以使用单词 0, 1 的信息，即只能使用之前的信息。

第二步：接下来的操作和之前的 Self-Attention 一样，通过输入矩阵X计算得到Q,K,V矩阵。然后计算Q和 K^T 的乘积 QK^T。

第三步：在得到 QK^T 之后需要进行 Softmax，计算 attention score，我们在 Softmax 之前需要使用Mask矩阵遮挡住每一个单词之后的信息，遮挡操作如下：

得到 Mask QK^T 之后在 Mask QK^T 上进行 Softmax，每一行的和都为 1。但是单词 0 在单词 1, 2, 3, 4 上的 attention score 都为 0。

第四步：使用 Mask QK^T与矩阵 V相乘，得到输出 Z，则单词 1 的输出向量 Z₁ 是只包含单词 1 信息的。

第五步：通过上述步骤就可以得到一个 Mask Self-Attention 的输出矩阵Z_i ，然后和 Encoder 类似，通过 Multi-Head Attention 拼接多个输出Z_i 然后计算得到第一个 Multi-Head Attention 的输出Z，Z与输入X维度一样。

3.2 第二个 Multi-Head Attention

Decoder block 第二个 Multi-Head Attention 变化不大， 主要的区别在于其中 Self-Attention 的 K, V矩阵不是使用 上一个 Decoder block 的输出计算的，而是使用 Encoder 的编码信息矩阵 C 计算的。

根据 Encoder 的输出 C计算得到 K, V，根据上一个 Decoder block 的输出 Z 计算 Q (如果是第一个 Decoder block 则使用输入矩阵 X 进行计算)，后续的计算方法与之前描述的一致。

这样做的好处是在 Decoder 的时候，每一位单词都可以利用到 Encoder 所有单词的信息 (这些信息无需 Mask)。

3.3 Softmax 预测输出单词

Decoder block 最后的部分是利用 Softmax 预测下一个单词，在之前的网络层我们可以得到一个最终的输出 Z，因为 Mask 的存在，使得单词 0 的输出 Z0 只包含单词 0 的信息，如下：

Softmax 根据输出矩阵的每一行预测下一个单词：

这就是 Decoder block 的定义，与 Encoder 一样，Decoder 是由多个 Decoder block 组合而成。

4. Transformer 总结

Transformer 与 RNN 不同，可以比较好地并行训练。
Transformer 本身是不能利用单词的顺序信息的，因此需要在输入中添加位置 Embedding，否则 Transformer 就是一个词袋模型了。
Transformer 的重点是 Self-Attention 结构，其中用到的 Q, K, V矩阵通过输出进行线性变换得到。
Transformer 中 Multi-Head Attention 中有多个 Self-Attention，可以捕获单词之间多种维度上的相关系数 attention score。