目前深度学习中热点之一就是注意力机制（Attention Mechanisms）。Attention源于人类视觉系统，当人类观察外界事物的时候，一般不会把事物当成一个整体去看，往往倾向于根据需要选择性的去获取被观察事物的某些重要部分，比如我们看到一个人时，往往先Attend到这个人的脸，然后再把不同区域的信息组合起来，形成一个对被观察事物的整体印象。
「同理，Attention Mechanisms可以帮助模型对输入的每个部分赋予不同的权重，抽取出更加关键及重要的信息，使模型做出更加准确的判断，同时不会对模型的计算和存储带来更大的开销，这也是Attention Mechanism应用如此广泛的原因」 ，尤其在Seq2Seq模型中应用广泛，如机器翻译、语音识别、图像释义（Image Caption）等领域。Attention既简单，又可以赋予模型更强的辨别能力，还可以用于解释神经网络模型（例如机器翻译中输入和输出文字对齐、图像释义中文字和图像不同区域的关联程度）等。
本文主要围绕核心的Attention机制 Attention的变体
Attention主要应用于Seq2Seq模型，故首先简介一下Seq2Seq模型。Seq2Seq模型目标是学习一个输入序列到输出序列的映射函数。应用场景包括：机器翻译（Machine translation）、自动语音识别（Automatic speech recognition）、语音合成（Speech synthesis）和手写体生成（Handwriting generation）。
Seq2Seq模型奠基性的两个工作如下：
NIPS2014：Sequence to Sequence Learning with Neural Networks[1] 该论文介绍了一种基于RNN(LSTM)的Seq2Seq模型，基于一个Encoder和一个Decoder来构建基于神经网络的End-to-End的机器翻译模型，其中，Encoder把输入编码成一个固定长度的上下文向量，Decoder基于「上下文向量」 和「目前已解码的输出」 ，逐步得到完整的目标输出。这是一个经典的Seq2Seq的模型，但是却存在「两个明显的问题」 ：
把输入的所有信息有压缩到一个固定长度的隐向量，忽略了输入的长度，当输入句子长度很长，特别是比训练集中所有的句子长度还长时，模型的性能急剧下降（Decoder必须捕捉很多时间步之前的信息，虽然本文使用LSTM在一定程度上能够缓解这个问题）。
把输入编码成一个固定的长度过程中，对于句子中每个词都赋予相同的权重，这样做是不合理的。比如，在机器翻译里，输入的句子与输出句子之间，往往是输入一个或几个词对应于输出的一个或几个词。因此，对输入的每个词赋予相同权重，这样做没有区分度，往往使模型性能下降。
注意上图中Encoder得到的上下文向量「仅用于作为Decoder的第一个时间步的输入」 。
Decoder的另一个输入是前一时刻的单词 「真实label」 (需要embedding一下)，而不是上一时刻的预测值。而在测试阶段，则是上一时刻的预测值（具体使用时需要借助beam-search来得到最优翻译序列）。 但是实际训练过程中，「label是否使用真实数据2种方式，可以交替进行」 ，即一种是把标准答案作为Decoder的输入，还有一种是把Decoder上一次的输出的结果作为输入，因为如果完全使用标准答案，会导致收敛的过快，导致测试的时候不稳定。 另外，上述输入输出中的每个单词，都要借助「embedding」 技术。 EMNLP2014：Learning Phrase Representations using RNN Encoder–Decoder for Statistical Machine Translation[2] 和NIPS2014几乎同时发表，思想也是一样的。只不过在这篇文章中，作者提出了一种新的RNN Cell，即GRU代替LSTM来构建Seq2Seq模型。 还有一点不同的是，Encoder得到的上下文向量会作用于Decoder「每一个时间步」 的预测。 总结起来：RNN-based Encoder-Decoder Framework，目标是预测 Decoder在给定上下文向量 如上文所述，传统的Seq2Seq模型对输入序列缺乏区分度，存在明显的两大问题。因此，有大牛提出使用Attention机制来解决问题。下面将按照Attention的不同类型重点介绍一些Attention上的研究工作。 Basic Attention 本小节介绍最传统和基础的Attention模型的应用。首先直观感受下Attention机制的一个示意动图。
Machine Translation ICLR2015: Neural Machine Translation by Jointly Learning to Align and Translate[3] 这是ICLR2015提出的文章，机器翻译的典型方法。作者在RNN Encoder-Decoder框架上，引入了Attention机制来同时进行翻译和对齐。使用bidirectional RNN作为Encoder，Decoder会在翻译的过程中通过模拟搜索源句子focus到不同部位上来进行更准确的解码。模型示意图如下：
其中， 注意，和已有的encoder-decoder不同，这里的条件概率对「每一个目标单词」 「不同的」 上下文向量 而上下文向量 而 「前一时刻的隐状态」 总之，「Decoder中的」 注意力机制使得只需要关注源句子部分的信息，而不是像此前工作中非要将源句子「所有的信息」 都编码成固定长度的上下文向量来用。 Image Caption ICML2015: Show, Attend and Tell- Neural Image Caption Generation with Visual Attention[4] Kelvin Xu等人在该论文中将Attention引入到Image Caption中。Image Caption是一种场景理解的问题，这是视觉领域重要的一个研究方向。场景理解的难点在于既要进行物体识别，又要理解物体之间的关系。这相当于要让机器拥有模仿人类将大量显著的视觉信息压缩为描述性语言的能力。 模型包括两个部分：Encoder和Decoder。其中，Encoder会使用CNN提取图片低层特征；Decoder会在RNN中引入注意力机制，将图片特征解码为自然语言语句。模型总的示意图如下：
如上图，模型把图片经过CNN网络，变成特征图。LSTM的RNN结构在此上运行Attention模型，最后得到描述。 「目标：」 输入一个图像，输出该图像的描述 在encoder端，模型使用CNN来提取L个D维vector，每一个都对应图像的一个区域(这里粗体表示向量)： 在原论文中，原始图像先经过center cropped变为 与此前的工作使用Softmax层之前的那一层vector作为图像特征不同，本文所提取的这些vector来自于 「low-level 的卷积层，这 使得Decoder可以通过从所有提取到的特征集中，选择一个子集来聚焦于图像的某些部分」 。这样子就有点像NLP里的seq2seq任务了，这里的输入从词序列转变成了图像区域vector的序列。作为类比，图像上的 「隐状态向量」 。 即，在给定一组提取到的图像不同区域的向量表示 而权重 「输出词」 的位置，使用LSTM来解码并生成描述词序列，LSTM结构单元如下：
具体LSTM的计算：(可以发现如何将 第一个式子实际上是四个式子，分别得到输入门、遗忘门、输出门和被输入门控制的候选向量。其中，三个门控由sigmoid激活，得到的是元素值皆在 0 到 1 之间的向量，可以将门控的值视作保留概率；候选向量由tanh激活，得到的是元素值皆在－1到1之间的向量。「输出词的embedding matrix」 ，「相关图像区域」 。这个量将由attention机制计算。 第二个式子是更新旧的记忆单元，element-wise 的运算表示三个门控将对各自控制的向量的每个元素做“取舍”：0 到 1 分别代表完全抛弃到完全保留。第三个式子是得到隐状态。 有了隐状态，就可以计算词表中各个词的概率值，那么取概率最大的那个作为当前时刻生成的词，并将作为下一时刻的输入。其实就是softmax全连接层(两层MLPs+softmax)。 解码的输出：模型生成的一句caption被表示为各个词的one-hot编码所构成的集合，输出的caption y表示为： RNN建模时， LSTM初始输入 ：
LSTM中的记忆单元与隐藏单元的初始值，是两个不同的多层感知机，采用所有特征区域的平均值来进行预测的:
文中使用VGGnet作为encoder进行编码，且不进行finetuning。encoder得到 在decode时，由于模型每次更新所需要的时间正比于最长的句子，如果随机采样句子进行解码，训练时间会很长。为了解决这个问题，文中会在预处理环节，将句子按照长度分组。每次更新时，随机采样一个长度，然后使用相应的分组内的句子进行训练，这样就能显著提高运行效率。 个人觉得输出词的embedding matrix也可以使用word2vec预训练好的词向量代替，文中没提到。 Speech Recognition NIPS2015: Attention-Based Models for Speech Recognition[5] 给定一个英文的语音片段作为输入，输出对应的音素序列。Attention机制被用于对输出序列的每个音素和输入语音序列中一些特定帧进行关联。 Entailment ICLR2016: Reasoning about Entailment with Neural Attention[6] 语义蕴含，句子关系推断方面的早期工作，也是采用了基本的Attention模型。给定一个用英文描述的前提和假设作为输入，输出假设与前提是否矛盾、是否相关或者是否成立。举个例子：前提：在一个婚礼派对上拍照；假设：有人结婚了。该例子中的假设是成立的。Attention机制被用于关联假设和前提描述文本之间词与词的关系。 Text Summarization EMNLP2015: A Neural Attention Model for Sentence Summarization[7] 给定一篇英文文章作为输入序列，输出一个对应的摘要序列。Attention机制被用于关联输出摘要中的每个词和输入中的一些特定词。 本部分介绍Attention机制的各种变体。包括但不限于： 「基于强化学习的注意力机制」 ：选择性的Attend输入的某个部分 「全局&局部注意力机制」 ：其中，局部注意力机制可以选择性的Attend输入的某些部分 「多维度注意力机制」 ：捕获不同特征空间中的Attention特征。 「层次化注意力机制」 ：word->sentence->document 「注意力之上嵌一个注意力」 ：和层次化Attention有点像。 「多跳注意力机制」 ：和前面两种有点像，但是做法不太一样。且借助残差连接等机制，可以使用更深的网络构造多跳Attention。使得模型在得到下一个注意力时，能够考虑到之前的已经注意过的词。 「使用拷贝机制的注意力机制」 ：在生成式Attention基础上，添加具备拷贝输入源语句某部分子序列的能力。 「基于记忆的注意力机制」 ：把Attention抽象成Query，Key，Value三者之间的交互；引入先验构造记忆库。 「自注意力机制」 ：自己和自己做attention，使得每个位置的词都有全局的语义信息，有利于建立长依赖关系。 Reinforcement-learning based Attention NIPS2014: Recurrent Models of Visual Attention[1] ICLR2015: Multiple Object Recognition with Visual Attention [2] NIPS2014论文应该是最早的Attention雏形，虽然和我们通常所说的、广泛应用于Seq2Seq的Attention机制不太一样，但是还是值得提一下。这是Google DeepMind2014年提出的一篇计算机视觉领域的文章，适用于处理图像序列或帧序列来进行场景感知或处理（例如Video Caption）。 其动机在于随着分辨率提高，计算量不断增长，神经网络难以在实时应用场景中，快速处理这么大的计算量。借鉴人类视觉系统的特点，即，为了理解某个场景，并不是一下子处理整个场景，而是Focus到某些关键的位置上，然后联合起来构建出整个场景信息。故本篇论文利用RNN处理图像序列，并使用「强化学习 」来训练模型，使得模型能够学习attention决策。即，针对实时的场景，基于过去的信息和任务的需要选择下一个要focus的感知区域。这个和人类的感知方式比较相似，也是我们最早理解的Attention机制。 但是，上文所述的广泛应用于Seq2Seq中的Attention不大一样。人类的注意力机制实际上是可以节省计算资源的，注意只需要集中到某些区域，可以忽略大部分区域。Recurrent Models of Visual Attention中的做法和这个是一样的。 然而，下文即将要介绍的应用于Seq2Seq模型模型的Attention就不是这样的了。实际上，下文所述Attention模型，需要把每一个部分都观察的仔仔细细(每部分权重都要算一下)，才能进一步决策到底需要focus到哪些部分，这和人类的视觉系统不相符，更像是memory，而不是attention（实际上attention可以理解为一种「短期记忆 」，即根据短期记忆在输入特征上分配attention；memory也是另外一种非常重要的机制），然而，这并不妨碍注意力机制的有效性。 以往的文章，主要将attention应用于不同场景中，而这篇文章提出了新的attention架构，引入了Global Attention和Local Attention的概念。 Global Attention和上文的Soft Attention几乎一样，即计算上下文向量时，和所有的encoder隐状态向量求alignment；而Local Attention是Soft Attention和Hard Attention的权衡，既拥有Soft Attention可微分，容易使用反向传播来优化的优点，又拥有Hard Attention复杂度低的优点，除此之外，还不需要强化学习方法进行训练。 对每一个目标单词 ，使用Attention机制计算的上下文向量为 ； Attention机制中的对齐模型为 （前面文章中都是使用 , 即「前一个时间步 」的Decoder隐状态和Encoder隐状态来计算对齐权重）。 首先是Global Attention，如下图所示：
Global Attention中上下文向量 的计算路径为： 。 对齐模型计算：
上下文向量计算：
注意图中，框起来的部分作者称为Attention Layer。
接着是Local Attention，如下图所示：
Local Attention的引入是为了解决Global Attention中Attend到源语句中所有的词，一方面复杂度高，另一方面很难翻译长序列语句。Local Attention首先根据目标词的隐状态 计算源语句中的「对齐位置 」（中心） ，然后使用以该位置为中心的窗口 内的源语句单词 ，来计算Attention的权重，计算时使用以 为中心的高斯核函数进行衰减。具体如下： 对齐位置模型」：
对齐权重模型：
计算上下文向量时，同上文，即对窗口内的encoder隐向量进行加权，即 。 计算得到上下文向量后，本文直接将 和 concat在一起，并计算经过attention后的隐状态 ： 再将上述attention后的隐状态输入到一个softmax全连接层，得到预测目标值： 按照上述方式来看，每个目标输出单词的预测值，没有利用已经预测的输出单词(embedding)作为输入，也没有利用目标词位置前一时刻的decoder隐状态 ；只利用了当前时刻Decoder隐状态 （上下文向量计算中的权重也主要依据这个计算的）。也就是说，每个目标词位置的attention决策是独立的（只和 本身相关）。 然而在机器翻译当中，通常要维护一个覆盖集，即源语句中哪些单词被翻译过了；同理，在神经机器翻译中，我们在翻译一个目标词时，同样需要关注哪些源语句单词已经被翻译了。因此，作者提出了一个Input-feeding approach，把Decoder端前一时刻attention「后」的隐状态和前一时刻预测的输出单词的embedding连接起来，作为下一时刻的输入。（这个和传统Attention的几乎没差别） 本文的贡献主要是Local Attention以及提出的各种各样的Alignment函数，其余都和前面的工作大同小异。现总结下Alignment函数如下图所示： Multi-dimensional Attention AAAI2018：DiSAN: Directional Self-Attention Network for RNN/CNN-Free Language Understanding[4] 在Baisc Attention中，对于每个查询，每个key对应的value都有一个权重值，即每个查询会对应一个1-D的Attention weight向量。而Multi-dimensional Attention会产生更高维度的Attention矩阵，旨在捕获不同特征空间中的Attention特征。 实际上主要区别在于，之前每个value向量对应一个权重Alignment Score，加权的时候实际上是利用了广播机制，value每个元素feature都乘上该权重；现在修改为在feature-level，每个元素特征都乘上不同的权重系数，因此Alignment Score是和Value同维度数的向量，即右图中的 。做法很简单，使用MLP对齐的时候，MLP输出层神经元数量等于Value维度数即可，例如这篇文章中使用 NAACL-HLT2016：Multi-Source Neural Translation[5] 这是2016发表在NAACL-HLT的一篇文章。文章使用英语，德语，法语三种语言建立了一种多源（三语言）机器翻译模型。Intuition在于，如果一篇文章被翻译成了另一种语言，那么就更加倾向于被翻译成其他语言。这样的观点对机器翻译任务有一定的启发，将原本的单一源语言替换为多种源语言，应该可以取得更好的效果。 如英语中的“bank”一词原本可以翻译为河岸或是银行，如果源语言中有德语词汇“Flussufer”（河岸）作为帮助，则自然可以精确得到法语中“Berge”（河岸）这样的翻译结果。基于这样的思想，作者在原有的seq2seq+attention模型的基础上做了修改，引入更多源语句，建立一种多源的翻译模型。模型结构如下： 左侧是两种不同语言的源语句，每种语言的源语句都有一个自己的encoder，且结构一样。问题的关键在于如何将两种语言encoder的东西combine在一起，并和decoder的表示进行对齐求attention。 由于作者采用了LSTM，因此同时考虑了hidden state和cell state的combination。核心工作就是图中黑色部分的combiners。combiners的输入是两个源语句最后时刻encoder得到的hidden state 和cell state ，输出是单个hidden state 和单个cell state 。（以往的工作似乎没有把encoder的cell state给decoder，从图中还可以看出，两个encoder中，每一层得到的两个源语句的hidden state和cell state都需要经过combiners）
唯一要提的就是， 作为输入，每个encoder得到的cell state各自对应一个自己的遗忘门。 到目前为止，都不涉及到attention。上文得到的 和 只是作为decoder的初始输入（前一时刻的输入，以前的Seq2Seq模型，似乎cell state没有传给decoder）。 至于attention，作者做了很小的改动。采用的是EMNLP2015: Effective Approaches to Attention-based Neural Machine Translation[6]中的Local Attention。 在这个基础上，让decoder的隐状态同时和两个encoder得到的隐状态进行对齐，并各自计算得到一个上下文向量， ，注意这个c是上下文向量，跟上文所述cell state无关。最后计算Decoder的Attentional Hidden State时，使用 。也就是之前只使用1个上下文向量，这里面使用两个上下文向量。 NAACL-HLT2016：Hierarchical Attention Networks for Document Classification[7] 文本分类是一项基础的NLP任务，在主题分类，情感分析，垃圾邮件检测等应用上有广泛地应用。其目标是给「每篇 」文本分配一个类别标签。本文中模型的直觉是，不同的词和句子对文本信息的表达有不同的影响，词和句子的重要性是严重依赖于上下文的，即使是相同的词和句子，在不同的上下文中重要性也不一样。就像人在阅读一篇文本时，对文本不同的内容是有着不同的注意度的。而本文在attention机制的基础上，联想到文本是一个层次化的结构，提出用词向量来表示句子向量，再由句子向量表示文档向量，并且在词层次和句子层次分别引入attention操作的模型。 词先经过Bidirectional RNN(GRU)提取到word annotation，然后经过1个MLP得到word annotation对应的隐表示(这一步在Basic Attention中没有)， 然后使用该隐表示和全局的「word-level上下文隐向量 」 进行对齐，计算相似性，得到softmax后的attention权重， 最后对句子内的词的word annotation根据attention权重加权，得到每个句子的向量表示。 接着，将得到的句子表示同样经过Bidirectional RNN(GRU)提取sentence annotation，再经过MLP得到对应的隐表示，接着将其和全局的「sentence-level上下文隐向量 」 进行对齐计算，得到句子的attention权重，最后加权sentence annotation得到文档级别的向量表示。得到文档表示后再接一个softmax全连接层用于分类。 这里最有趣的一点是，全局的「word-level上下文隐向量 」 和全局的的「sentence-level上下文隐向量 」 ，是随机初始化的，且也是通过模型进行学习的。这二者就像专家一样，是高级咨询顾问。为了得到句子的向量表示，我们询问 哪些词含有比较重要的信息？为了得到文档的向量表示，我们询问 哪些句子含有比较重要的信息？ ACL2017：Attention-over-Attention Neural Networks for Reading Comprehension[8] 两个输入，一个Document和一个Query，分别用一个双向的RNN进行特征抽取，得到各自的隐状态 和 。（Embedding Layer+Bi-GRU Layer）。接着要计算document和query之间「每个词 」的相似性得分， 然后基于query和doc的隐状态进行dot product，得到doc和query的attention关联矩阵 （Document所有词和Query所有词和之间的关联矩阵，行是Document，列是Query）。然后按列（column）方向进行softmax操作，得到query-to-document的attention值 ，表示t时刻的query 「word 」的document-level attention。按照行（row）方向进行softmax操作，得到document-to-query的attention值 ，表示t时刻的document 「word 」的query-level attention，再对 按照列方向进行累加求平均得到averaged query-level attention值 ，(可以证明，按列对 平均后仍然是概率分布)，这个求平均的操作可以理解为求query-level每个词和document所有词的平均关联性。 最后再基于上一步attention操作得到 和 ，再进行attention操作，即attention over attention得到最终的attended attention ，即Document每个词都有一个attended attention score。 预测的时候，预测词典中每个词的概率，将词w在document中出现的位置上对应的attention值进行求和。例如图中Mary出现在Document首尾，故把这两个attention score相加，作为预测的概率。 文章的亮点在于，引入document和query所有词pair-wise的关联矩阵，分别计算query每个词document-level attention(传统的方法都只利用了这个attention)，和document每个词的query-level attention，对后者按列取平均得到的averaged query-level attention。进一步，二者点乘得到attended document-level attention，也即attention-over-attention。 [1]Sequence to Sequence Learning with Neural Networks: https://papers.nips.cc/paper/5346-sequence-to-sequence-learning-with-neural-networks.pdf
[2]Learning Phrase Representations using RNN Encoder–Decoder for Statistical Machine Translation: https://www.aclweb.org/anthology/D14-1179
[8]NIPS2014: Recurrent Models of Visual Attention: https://papers.nips.cc/paper/5542-recurrent-models-of-visual-attention.pdf
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