图解谷歌神经机器翻译核心部分：注意力机制

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整理 | 乾明

注意力（Attention）机制，是神经机器翻译模型中非常重要的一环，直接影响了翻译的准确度与否。

可以这么说，没有注意力机制，机器翻译的水平只有60-70分。有了注意力机制，翻译的水平就能够达到80-90分了。

它是如何发挥作用的呢？很多人一解释起来，就是铺天盖地的数学公式，让人还没来得及看，就直接懵逼了。

最近，有一篇文章用图解的方式，完整地介绍了“注意力机制”的原理逻辑，并以谷歌神经翻译为例，解释了它的运作机制。

作者说，写这篇文章的目的，是为了让大家在不去看数学公式的情况下，掌握注意力的概念。他也会以人类译者为例，将相关的概念形象化。

神经机器翻译为何需要注意力机制？

神经机器翻译方法诞生于2013年。那一年，牛津大学的研究团队发表了一篇题为Recurrent Continuous Translation Models的论文，提出了一个用于机器翻译的新模型。

这个新模型使用的是端到端的编码器-解码器结构。

在处理翻译工作的时候，先用卷积神经网络（CNN），将原始文本编码成连续的向量，然后使用循环神经网络（RNN）将连续向量转换成目标语言。

但由于梯度爆炸/消失的存在，但使用这种方法很难获取更长句子背后的信息，导致翻译性能大幅下降。

在2014年，当时在谷歌工作的Ilya Sutskever等人提出了序列到序列（seq2seq）学习的方法，将RNN同时用于编码器和解码器。

也把RNN的典型变体长短时记忆（LSTM）引入到了神经机器翻译中。这样以来，梯度爆炸/消失就得到了控制，长距离重新排序的问题得到了缓解。

正所谓是摁下葫芦起来瓢，新的问题又出现了。seq2seq方法中，解码器从编码器中接收的唯一信息， 是最后编码器的隐藏状态，这是一个向量表征，是输入序列文本的数字概要。

具体如下图中的两个红色节点所示。

对于像下图这样很长的输入文本来说，我们特别希望这个隐藏状态，能够充分概括输入序列，解码器就能够根据这一个向量表征来很好的完成转换了。

但这很难，灾难性的遗忘出现了。比如上面说的这两个段落的字，在看到这的时候，你还能记得多少？能把它们翻译成英语吗？

除此之外，还有一个问题。在基于RNN的模型中，不管原始文本的句子有多长，都会被压缩成一个固定长度的向量。

在解码的时候，会有各种麻烦事，也没办法确定准确的信息。特别是句子很长的时候，更麻烦。

怎么办？“注意力机制”登场

2014年，DeepMind团队发表Recurrent Models of Visual Attention，提出了注意力机制，并将其用于图像分类的任务中。

与CNN相比，使用注意力机制的RNN取得了非常好的效果，直接带起了一波研究注意力机制的热潮。

很快，注意力就出现在了神经机器翻译中。

在ICLR 2015上，蒙特利尔大学的Yoshua Bengio团队发表了一篇论文，在神经机器翻译中引入了注意力机制。（这篇论文在2014年9月，就已经提交到了arXiv上）

注意力，是编码器和解码器之间的接口。有了它，解码器接收到的，就不仅仅是一个统一的向量表征了，还有来自编码器每个时间步的向量表征，比如下图中的绿色节点。

通过注意力机制，模型就能够有选择地关注输入序列中有用的部分，从而在解码器和编码器之间对齐。

之后，神经机器翻译所面临的问题，基本上也都有了解决方案。

2016年，谷歌推出了首个基于神经机器翻译的翻译系统。

现在，神经机器翻译已经成为了主流翻译工具的核心方法。

在这段发展历程中，RNN和LSTM，已经有了大量的介绍。注意力机制到底是怎么运作的呢？它到底有何魔力？

接下来请你收看——

图解注意力运作机制

注意力一共分类两种。一种是全局注意力，使用所有编码器隐藏状态。另一种是局部注意力，使用的是编码器隐藏状态的子集。在这篇文章中，提到的注意力，都是全局注意力。

在开始之前，需要看换一下仅基于seq2seq方法的模型是如何翻译的。

以一个将文本从德语翻译成英语的翻译员为例。

使用“seq2seq”方法的话，他会从头开始逐字逐句阅读德语文本，然后逐字逐句将文本翻译成英语。如果句子特别长的话，他在翻译的时候，可能就已经忘了之前文本上的内容了。

如果使用seq2seq+注意力的方法，他在逐字逐句阅读德语文本的时候，会写下关键词。然后，利用这些关键词，将文本翻译成英语。

在模型中，注意力会为每个单词打一个分，将焦点放在不同的单词上。然后，基于softmax得分，使用编码器隐藏状态的加权和，来聚合编码器隐藏状态，以获得语境向量。

注意力层的实现可以分为6个步骤。

第一步：准备隐藏状态

首先，准备第一个解码器的隐藏状态（红色）和所有可用的编码器的隐藏状态（绿色）。在我们的例子中，有4个编码器的隐藏状态和当前解码器的隐藏状态。

第二步：获取每个编码器隐藏状态的分数

通过评分函数来获取每个编码器隐藏状态的分数（标量）。在这个例子中，评分函数是解码器和编码器隐藏状态之间的点积。

在上面的例子中，编码器隐藏状态[5,0,1]的注意力分数为60，很高。这意味着要翻译的下一个词将受到这个编码器隐藏状态的严重影响。

第三步：通过softmax层运行所有得分

我们将得分放到softmax函数层，使softmax得分（标量）之和为1。这些得分代表注意力的分布。

需要注意的是，基于softmaxed得分的score^。注意力仅按预期分布在[5,0,1]上。实际上，这些数字不是二进制数，而是0到1之间的浮点数。

第四步：将每个编码器的隐藏状态乘以其softmax得分

将每个编码器的隐藏状态与其softmaxed得分（标量）相乘，就能获得对齐向量。这就是发生对齐机制的地方。

由于注意力分数很低，除了[5,0,1]之外的所有编码器隐藏状态的对齐都减少到了0。这意味着，我们可以预期，第一个被翻译的单词，应该与带有[5,0,1]嵌入的输入单词匹配起来。

第五步：将对齐向量聚合起来

将对齐向量聚合起来，得到语境向量。

第六步：将语境向量输入到解码器中

这一步怎么做，取决于模型的架构设计。在接下来的示例中，会看到在模型架构中，解码器如何利用语境向量。

整体的运行机制，如下图所示：

那么，注意力机制是如何发挥作用的呢？

反向传播。反向传播将尽一切努力确保输出接近实际情况。这是通过改变RNN中的权重和评分函数（如果有的话）来完成的。

这些权重将影响编码器的隐藏状态和解码器的隐藏状态，进而影响注意力得分。

谷歌神经机器翻译如何应用注意力机制？

在介绍谷歌神经机器翻译模型之前，还需要补补课，看一下另外两个模型。

Bengio团队的研究

这是一个具有双向编码器的seq2seq+注意力模型，以下是模型架构的注意事项：

1、编码器是一个双向（正向+反向）门控循环单元（BiGRU）。解码器是一个GRU，它的初始隐藏状态，是从反向编码器GRU的最后隐藏状态修改得来的向量。

2、注意力层中的评分函数使用的是additive/concat。

3、到下一个解码器时间步的输入是来自前一个解码器时间步（粉红色）的输出和来自当前时间步（深绿色）语境向量之间的串联。

这个模型架构，在WMT’14英语-法语数据集上的BLEU分数是26.75。

（论文链接在文末）

相当于在将德语文本翻译成英语的时候，用了两个翻译员。

翻译员A，在逐字逐句阅读德语文本的时候，会写下关键词。翻译员B，在倒着逐字逐句阅读德语文本的时候，写下关键词。

这两个翻译员，会定期讨论他们在讨论之前阅读的每一个单词。

读完德语文本之后，翻译员B会根据他们两个之间的讨论，以及选择的关键词，将文本翻译成英语。

在这里，翻译员A，是正向RNN，翻译员B，是反向RNN。

斯坦福大学团队的研究

与Bengio等人的模型相比，斯坦福大学团队提出的模型架构，更具有概括性，也更加简单。要点如下：

1、编码器是一个双层的LSTM网络。解码器也具有相同的架构，它初始隐藏状态是最后的编码器隐藏状态。

2、他们模型的评分函数有四种，分别是：additive/concat、dot product、location-based和’general’。

3、当前解码器时间步的输出与来自当前时间步的语境向量之间的串联，会输入到前馈神经网络中，来得出当前解码器时间步的最终输出（粉红色）。

（论文链接在文末）

这个模型架构，在WMT’15英语-德语数据集上的BLEU分数是25.9。

简单来说，这是一个采用双层堆叠编码器的seq2seq+注意力模型。

在将德语文本翻译到英语时，翻译员A一样在阅读德语文本的时候，写下关键词。在这里，翻译员B比翻译员A要更专业，他也会阅读同样的德语文本，并写下关键词。

主要注意的是，翻译员A阅读的每个单词，都要向翻译员B报告。完成阅读后，他们会根据他们选择的关键词，将文本翻译成英语。

谷歌的神经机器翻译模型

谷歌神经机器翻译，集两者之大成，但受Bengio等人的模型影响多一点。要点是：

1、编码器由8个LSTM组成，其中第一个是双向的（输出是连接的），连续层的输出之间有残差连接（从第3层开始）。解码器是8个单向LSTM的独立堆栈。

2、评分函数使用的是additive/concat。

3、解码器下一个时间步的输入是前一个时间步（粉红色）的输出与当前时间步（深绿色）的语境向量之间的串联。

这个模型架构，在WMT’14英语-法语数据集上的BLEU分数是38.95。在WMT’14英语-德语数据集上的BLEU分数是24.17。

（论文链接在文末）

这是一个具有8个堆叠编码器的seq2seq（+双向+残差连接）+注意力的模型。

相当于在将德语文本翻译成英语的时候，用了八个翻译员，分别是翻译员A、B、C…H。每一位翻译员都阅读相同的德语文本。

对于文本中的每一个单词，翻译员A都会给翻译员B分享他的发现，翻译员B会改进这些发现，然后与翻译员C分享，一直重复这个过程，直到翻译员H结束。

此外，在阅读德语文本的时候，翻译员H会基于他知道的和收到的信息写下关键词。

每个人都读完了这个英语文本后，翻译员A就会被告知翻译第一个单词。

首先，他试图回忆文本内容，给出翻译，然后与翻译员B分享他的答案，翻译员B改进答案并与翻译员C分享，一直重复这个过程，直到翻译员H结束。

然后，翻译员H会根据他写下的关键词给出第一个词的翻译。然后重复这个过程，直到翻译结束。

相关资料推荐

Yoshua Bengio等人研究的论文

Neural Machine Translation by Jointly Learning to Align and Translate
https://arxiv.org/abs/1409.0473

斯坦福大学团队的论文

Effective Approaches to Attention-based Neural Machine Translation
https://arxiv.org/abs/1508.04025

谷歌神经机器翻译模型的论文

Google’s Neural Machine Translation System: Bridging the Gap between Human and Machine Translation
https://arxiv.org/abs/1609.08144

其他相关论文推荐：

Recurrent Models of Visual Attention

https://papers.nips.cc/paper/5542-recurrent-models-of-visual-attention.pdf

Recurrent Continuous Translation Models
https://www.aclweb.org/anthology/D13-1176

Attention Is All You Need
https://arxiv.org/abs/1706.03762

Sequence to Sequence Learning with Neural Networks
https://arxiv.org/abs/1409.3215

教程资源：

TensorFlow’s seq2seq Tutorial with Attention (Tutorial on seq2seq+attention)
https://github.com/tensorflow/nmt

入门博客文章：

Lilian Weng’s Blog on Attention (Great start to attention)
https://lilianweng.github.io/lil-log/2018/06/24/attention-attention.html#a-family-of-attention-mechanisms

Jay Alammar’s Blog on Seq2Seq with Attention (Great illustrations and worked example on seq2seq+attention)
https://jalammar.github.io/visualizing-neural-machine-translation-mechanics-of-seq2seq-models-with-attention/

写这篇文章的，是一位名叫Raimi Bin Karim新加坡人，现在是AI Singapore中的一名AI学徒。AI Singapore，是一家为新加坡培育人工智能产业与人才的机构。

原文链接：
https://towardsdatascience.com/attn-illustrated-attention-5ec4ad276ee3

本篇文章来源于: 深度学习这件小事