Attention机制详解

简介

相信做NLP的同学对这个机制不会很陌生，它在Attention is all you need可以说是大放异彩，在machine translation任务中，帮助深度模型在性能上有了很大的提升，输出了当时最好的state-of-art model。当然该模型除了attention机制外，还用了很多有用的trick，以帮助提升模型性能。但是不能否认的时，这个模型的核心就是attention，attention是一种能让模型对重要信息重点关注并充分学习吸收的技术，它不算是一个完整的模型，应当是一种技术，能够作用于任何序列模型中。

Seq2Seq

在开始讲解Attention之前，我们先简单回顾一下Seq2Seq模型，传统的机器翻译基本都是基于Seq2Seq模型来做的，该模型分为encoder层与decoder层，并均为RNN或RNN的变体构成，如下图所示

在encode阶段，第一个节点输入一个词，之后的节点输入的是下一个词与前一个节点的hidden state，最终encoder会输出一个context，这个context又作为decoder的输入，每经过一个decoder的节点就输出一个翻译后的词，并把decoder的hidden state作为下一层的输入。改模型对于短文本的翻译来说效果很好，但是其也存在一定的缺点，如果文本稍长一些，就很容易丢失文本的一些信息，为了解决这个问题，Attention应运而生。

Attention

Attention，正如其名，注意力，该模型在decode阶段，会选择最适合当前节点的context作为输入。Attention与传统的Seq2Seq模型主要有以下两点不同。

• encoder提供了更多的数据给到decoder，encoder会把所有的节点的hidden state提供给decoder，而不仅仅只是encoder最后一个节点的hidden state

• decoder并不是直接把所有encoder提供的hidden state作为输入，而是采取一种选择机制，把最符合当前位置的hidden state选出来，具体的步骤如下
  • 确定哪一个hidden state与当前节点关系最为密切
  • 计算每一个hidden state的分数值（具体怎么计算我们下文讲解）
  • 对每个分数值做一个softmax的计算，这能让相关性高的hidden state的分数值更大，相关性低的hidden state的分数值更低

这里我们以一个具体的例子来看下其中的详细计算步骤：

把每一个encoder节点的hidden states的值与decoder当前节点的上一个节点的hidden state相乘，如下图，h1、h2、h3分别与当前节点的上一节点的hidden state进行相乘(如果是第一个decoder节点，需要随机初始化一个hidden state)，最后会获得三个值，这三个值就是上文提到的hidden state的分数，注意，这个数值对于每一个encoder的节点来说是不一样的，把该分数值进行softmax计算，计算之后的值就是每一个encoder节点的hidden states对于当前节点的权重，把权重与原hidden states相乘并相加，得到的结果即是当前节点的hidden state。可以发现，其实Atttention的关键就是计算这个分值。

明白每一个节点是怎么获取hidden state之后，接下来就是decoder层的工作原理了，其具体过程如下：

第一个decoder的节点初始化一个向量，并计算当前节点的hidden state，把与hidden state作为第一个节点的输入，经过RNN节点后得到一个新的hidden state与输出值，注意，这里和Seq2Seq有一个很大的区别，Seq2Seq是直接把输出值作为当前节点的输出，但是Attention会把该值与hidden state做一个连接，并把连接好的值作为context，并送入一个前馈神经网络，最终当前节点的输出内容由该网络决定，重复以上步骤，直到所有decoder的节点都输出相应内容。

Attention模型并不只是盲目地将输出的第一个单词与输入的第一个词对齐。实际上，它在训练阶段学习了如何在该语言对中对齐单词(在我们的示例中是法语和英语)。