深度学习中的Attention模型介绍及其进展

  近期对深度学习中的Attention模型进行了深入研究，该模型在图像识别、语音识别和自然语言处理三大深度学习的热门领域均有广泛的使用，是2014和2015年深度学习领域的重要进展。现对其原理、主要应用及研究进展进行详细介绍。

1. 基本原理

  Attention模型最初应用于图像识别，模仿人看图像时，目光的焦点在不同的物体上移动。当神经网络对图像或语言进行识别时，每次集中于部分特征上，识别更加准确。如何衡量特征的重要性呢？最直观的方法就是权重，因此，Attention模型的结果就是在每次识别时，首先计算每个特征的权值，然后对特征进行加权求和，权值越大，该特征对当前识别的贡献就大。
  机器翻译中的Attention模型最直观，易于理解，因为每生成一个单词，找到源句子中与其对应的单词，翻译才准确。此处就以机器翻译为例讲解Attention模型的基本原理。在此之前，需要先介绍一下目前机器翻译领域应用最广泛的模型——Encoder-Decoder结构，谷歌最新发布的机器翻译系统就是基于该框架[1]，并且采用了Attention模型。
  Encoder-Decoder框架包括两个步骤，第一步是Encoder，将输入数据（如图像或文本）编码为一系列特征，第二步是Decoder，以编码的特征作为输入，将其解码为目标输出。Encoder和Decoder是两个独立的模型，可以采用神经网络，也可以采用其他模型。机器翻译中的Encoder-Decoder示例如下图（取自[2]）：

该示例将一个句子（ABC）翻译为另一种语言的句子（WXYZ），其中A、B、C和W、X、Y、Z分别表示一个字或一个单词，图中每个方框表示一个RNN模型，不同的方框表示不同的时刻，<eos>表示句子结束。
  了解Encoder-Decoder结构之后，我们再回到Attention模型，Attention在Encoder-Decoder中介于Encoder和Decoder中间，首先根据Encoder和Decoder的特征计算权值，然后对Encoder的特征进行加权求和，作为Decoder的输入，其作用是将Encoder的特征以更好的方式呈献给Decoder。[3]首次将Attention模型应用到机器翻译中，我们参照下图对其展开讲解。

  该图将句子(x1,x2,...,xT)翻译为(y1,y2,...,yt,...)，Encoder和Decoder均采用RNN模型，下方的一系列h为Encoder生成的特征，考虑到句子中单词的上下文关系，此处采用了双向RNN模型，所以每个时刻生成的特征由两个方向的特征组合而成，即hi=[hi→;hi←]。图中的αt,i就是Attention模型生成的权值，在t时刻，对特征h进行加权组合
  ct=∑i=1Tαt,ihi
那么生成新的单词的过程为
  p(yt)=RNN(yt−1,st,ct)
如果没有Attention模型计算权值，那么该过程就变为
  c=f(h1,...,hT)
  p(yt)=RNN(yt−1,st,c)
也就是说，在Decoder的每个时刻，其输入特征均是固定的，将所有的输入x编码为一个固定的特征容易造成信息损失，而且在Decoder的时候，每一个时刻均选取所有特征，没有针对性，因此就产生了Attention模型。那么Attention模型中的权值α是怎么计算的呢？
  αt,i=exp(et,i)∑Tk=1exp(et,k)
  et,i=fatt(st−1,hi)
前面说了那么多，其实这里的fatt才是Attention模型的核心，它被称为alignment模型，计算Encoder的特征与Decoder特征的对应关系。举例如下图：

该图表示法语到英语的翻译，图中的小方格就是表示Attention模型的权值α的大小，颜色越浅表示权值越大。可以看到，大的权值基本上分布在对角线上，而在European Economic Area三个单词处，权值成反对角线分布，这是因为法语与英语的句法结构不同，这三个单词的权值依然是对应的，说明Attention模型在这里准确实现了单词之间的对应关系。
  综上所述，Attention模型就是对输入特征进行加权以衡量每个特征对当前识别的重要性，它自己集中于重要的特征，忽略不重要的特征。

2. Attention模型的主要应用

  Attention模型主要应用于深度学习，目前深度学习最热门的应用就是自然语言理解、图像识别和语音识别三大领域。本文针对三个领域分别列举几个Attention模型的应用。

2.1 自然语言理解

  第一节的机器翻译就是一个非常重要的应用，谷歌在最新发布的机器翻译模型中就采用了Attention模型，[4]一文中将Attention模型应用到文本摘要，从长句子或段落中提取关键词，如下图：

华为诺亚方舟实验室的李航博士将Attention模型应用于短文本对话[5]。

2.2 图像识别

  Attention模型在图像识别里的应用既有图像分类，如[6][7]，又有图像生成，如[8][9]，个人最感兴趣的是图像标题生成[10]，如下图：

该研究中将Attention模型的权值可视化，显示在原图中，即图中白色的区域，可以看出，图中的飞盘和狗分别与句子中的frisbee和dog形成了对应关系。

2.3 语音识别

  语音识别的经典模型要数CTC，基于Attention模型的Encoder-Decoder框架也取得了较好的结果，如[11][12]，Attention模型也建立了语音与单词之间的对应关系。

3. 研究进展

  自从Attention模型引入深度学习后，不但获得了广泛应用，也产生了很多改进，下面列举几个研究进展。
   [10]首次将Attention模型引入图像标题应用时，提出了两种Attention方法——soft attention和hard attention，其中soft attention就是最初的attention方法，而hard attention在选取特征组合时，并不针对所有的特征生成权值，而是只选取1个或者几个特征，因此是hard的。
  从Attention中的alignment模型et,i=fatt(st−1,hi)可以看出，它实际上是基于Decoder的t-1时刻的状态预测t时刻状态与Encoder特征hi的关联程度，在[13]中，首先不使用Attention模型进行Decoder，然后就可以使用Attenion计算t时刻的Decoder状态与Encoder特征的关联程度，et,i=fatt(st,hi)，并且文章基于bilinear方法提出了简化版的Attention模型，计算更加高效。
  在机器翻译中，存在过翻译和欠翻译的现象，即有些词被多次翻译，有些词却被漏掉，这是因为Attention模型没有记忆翻译进程的机制，[14]一文增加了Coverage模型，用于记录哪些单词已被翻译，哪些尚未翻译，从而使Attention模型专注于未翻译的单词，忽略已经翻译的单词。

4. 总结

  Attention模型虽然取得了广泛的应用，但是它自己并不是独立的框架，只是对其他框架的一些改进。在其他尚未使用Attention模型的领域可以继续引进，但是对于Attention模型本身，我认为发展空间已经不大。

[1] Wu, Y., Schuster, M., Chen, Z., Le, Q. V., Norouzi, M., Macherey, W., … & Klingner, J. (2016). Google’s Neural Machine Translation System: Bridging the Gap between Human and Machine Translation. arXiv preprint arXiv:1609.08144.
[2] Sutskever, I., Vinyals, O., & Le, Q. V. (2014). Sequence to sequence learning with neural networks. In Advances in neural information processing systems (pp. 3104-3112).
[3] Bahdanau, D., Cho, K., & Bengio, Y. (2014). Neural machine translation by jointly learning to align and translate. arXiv preprint arXiv:1409.0473.
[4] Rush, A. M., Chopra, S., & Weston, J. (2015). A neural attention model for abstractive sentence summarization. arXiv preprint arXiv:1509.00685.
[5] Shang, L., Lu, Z., & Li, H. (2015). Neural responding machine for short-text conversation. arXiv preprint arXiv:1503.02364.
[6] Mnih, V., Heess, N., & Graves, A. (2014). Recurrent models of visual attention. In Advances in Neural Information Processing Systems (pp. 2204-2212).
[7] Ba, J., Mnih, V., & Kavukcuoglu, K. (2014). Multiple object recognition with visual attention. arXiv preprint arXiv:1412.7755.
[8]Gregor, K., Danihelka, I., Graves, A., Rezende, D. J., & Wierstra, D. (2015). DRAW: A recurrent neural network for image generation. arXiv preprint arXiv:1502.04623.
[9]Mansimov, E., Parisotto, E., Ba, J. L., & Salakhutdinov, R. (2015). Generating images from captions with attention. arXiv preprint arXiv:1511.02793.
[10]Xu, K., Ba, J., Kiros, R., Cho, K., Courville, A., Salakhutdinov, R., … & Bengio, Y. (2015). Show, attend and tell: Neural image caption generation with visual attention. arXiv preprint arXiv:1502.03044, 2(3), 5.
[11]Chan, W., Jaitly, N., Le, Q. V., & Vinyals, O. (2015). Listen, attend and spell. arXiv preprint arXiv:1508.01211.
[12]Bahdanau, D., Chorowski, J., Serdyuk, D., & Bengio, Y. (2016, March). End-to-end attention-based large vocabulary speech recognition. In 2016 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP) (pp. 4945-4949). IEEE.
[13] Luong, M. T., Pham, H., & Manning, C. D. (2015). Effective approaches to attention-based neural machine translation. arXiv preprint arXiv:1508.04025.
[14] Tu, Z., Lu, Z., Liu, Y., Liu, X., & Li, H. (2016). Modeling coverage for neural machine translation. ArXiv eprints, January.