注意力模型詳細解析

前言

這裏學習的注意力模型是我在研究image caption過程中的出來的經驗總結，其實這個注意力模型理解起來並不難，但是國內的博文寫的都很不詳細或說很不明確，我在看了 attention-mechanism後才完全明白。得以進行後續工作。

這裏的注意力模型是論文 Show,Attend and Tell:Neural Image Caption Generation with Visual Attention裏設計的，但是注意力模型在大體上來講都是相通的。

先給大家介紹一下我需要注意力模型的背景。

I是圖片信息矩陣也就是[224,224,3]，通過前面的cnn也就是所謂的sequence-sequence模型中的encoder，我用的是vgg19，得到a，這裏的a其實是[14*14,512]=[196,512]，很形象吧，代表的是圖片被分成了這麼多個區域，後面就看我們單詞注意在哪個區域了，大家可以先這麼泛泛理解。通過了本文要講的Attention之後得到z。這個z是一個區域概率，也就是當前的單詞在哪個圖像區域的概率最大。然後z組合單詞的embedding去訓練。

好了，先這麼大概理解一下這張圖就好。下面我們來詳細解剖attention，附有代碼~

attention的內部結構是什麼？

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這裏的c其實一個隱含輸入，計算方式如下

首先我們這麼個函數：

def _get_initial_lstm(self, features):
    with tf.variable_scope('initial_lstm'):
        features_mean = tf.reduce_mean(features, 1)

        w_h = tf.get_variable('w_h', [self.D, self.H], initializer=self.weight_initializer)
        b_h = tf.get_variable('b_h', [self.H], initializer=self.const_initializer)
        h = tf.nn.tanh(tf.matmul(features_mean, w_h) + b_h)

        w_c = tf.get_variable('w_c', [self.D, self.H], initializer=self.weight_initializer)
        b_c = tf.get_variable('b_c', [self.H], initializer=self.const_initializer)
        c = tf.nn.tanh(tf.matmul(features_mean, w_c) + b_c)
        return c, h

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上面的c你可以暫時不用管，是lstm中的memory state，輸入feature就是通過cnn跑出來的a,我們暫時考慮batch=1,就認爲這個a是一張圖片生成的。所以a的維度是[1，196,512]，y向量代表的就是feature。

下面我們打開這個黑盒子來看看裏面到底是在做什麼處理。

上圖中可以看到

mi=tanh(Wcmc+Wymyi)mi=tanh(Wcmc+Wymyi)

這裏的tanh不能替換成ReLU函數，一旦替換成ReLU函數，因爲有很多負值就會消失，會很影響後面的結果，會造成最後Inference句子時，不管你輸入什麼圖片矩陣的到的句子都是一樣的。不能隨便用激活函數！！！ReLU是能解決梯度消散問題，但是在這裏我們需要負值信息，所以只能用tanh

c和y在輸入到tanh之前要做個全連接，代碼如下。

        w = tf.get_variable('w', [self.H, self.D], initializer=self.weight_initializer)
        b = tf.get_variable('b', [self.D], initializer=self.const_initializer)
        w_att = tf.get_variable('w_att', [self.D, 1], initializer=self.weight_initializer)

        h_att = tf.nn.relu(features_proj + tf.expand_dims(tf.matmul(h, w), 1) + b)    # (N, L, D)

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這裏的features_proj是feature已經做了全連接後的矩陣。並且在上面計算h_att中你可以看到一個矩陣的傳播機制，也就是relu函數裏的加法。features_proj和後面的那個維度是不一樣的。

def _project_features(self, features):
    with tf.variable_scope('project_features'):
        w = tf.get_variable('w', [self.D, self.D], initializer=self.weight_initializer)
        features_flat = tf.reshape(features, [-1, self.D])
        features_proj = tf.matmul(features_flat, w)  
        features_proj = tf.reshape(features_proj, [-1, self.L, self.D])
        return features_proj

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然後要做softmax了，這裏有個點，因爲上面得到的m的維度是[1,196,512],1是代表batch數量。經過softmax後想要得到的是維度爲[1,196]的矩陣也就是每個區域的注意力權值。所以

out_att = tf.reshape(tf.matmul(tf.reshape(h_att, [-1, self.D]), w_att), [-1, self.L])   # (N, L)
alpha = tf.nn.softmax(out_att) 

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最後計算s就是一個相乘。

context = tf.reduce_sum(features * tf.expand_dims(alpha, 2), 1, name='context')   #(N, D)

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這裏也是有個傳播的機制，features維度[1,196,512]，後面那個維度[1,196,1]。

最後給個完整的注意力模型代碼。

def _attention_layer(self, features, features_proj, h, reuse=False):
    with tf.variable_scope('attention_layer', reuse=reuse):
        w = tf.get_variable('w', [self.H, self.D], initializer=self.weight_initializer)
        b = tf.get_variable('b', [self.D], initializer=self.const_initializer)
        w_att = tf.get_variable('w_att', [self.D, 1], initializer=self.weight_initializer)

        h_att = tf.nn.relu(features_proj + tf.expand_dims(tf.matmul(h, w), 1) + b)    # (N, L, D)
        out_att = tf.reshape(tf.matmul(tf.reshape(h_att, [-1, self.D]), w_att), [-1, self.L])   # (N, L)
        alpha = tf.nn.softmax(out_att)  
        context = tf.reduce_sum(features * tf.expand_dims(alpha, 2), 1, name='context')   #(N, D)
        return context, alpha    

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如果大家想研究整個完整的show-attend-tell模型，可以去看看github鏈接