【NLP笔记】Transformer

参考文章：

• 【NLP】《Attention Is All You Need》的阅读笔记
  
• 一文了解Transformer全貌（图解Transformer）
• Transformer是什么？看完这篇你就醍醐灌顶
• Transformer 模型详解
• 深度学习之Transformer笔记
• The illurstrated Transformer

Transformer是自然语言处理领域具有里程碑意义的研究成果，后来也逐渐被广泛用于视觉信息处理与分析。之前在总结RNN时有说到，存在一种从长度为M的输入到长度为N的输出的这种seq2seq结构，通过Encoder-Decoder的结构实现对向量化内容的编解码。

基本架构

Transformer的整体架构如上图所示，但从结构来看会觉得很复杂，可以一步一步理解。首先是N层堆叠的编码器结构和N层堆叠的解码器结构组成，如下图所示：

再进一步细化，Encoder的结构都是相同的，但是和RNN不同，Encoder不同的层并不会共享权重。编码器的输入首先通过一个self-attention层，self-attention层的输出反馈给前馈神经网络，如图所示：

解码器也有编码器的两个层，但在这两层之间有一个注意层，帮助解码器关注输入句子的相关部分。

Embedding

Transformer的输入是Embedding后的文本向量，该向量化过程由两部分结果相加得到的，通常向量化表征的维度一般为256或者512（实验确定值，一个时计算资源限制，一个是实验验证效果较好），如图所示：

1. 词向量化：通过word2vec的向量化方式，或者通过构造神经网络编码层实现对文本进行向量化；
2. 位置编码：对于偶数位置采用sin，奇数位置采用cos的转换方式进行编码。其中$pos$是时序位置索引，$i$代表位置编码的维度索引。位置编码是一个向量，其维度与模型的嵌入维度（$d_{model}$）相同。因此，$i$ 的值会从0遍历到$d_{model}-1$，表示位置编码向量中的每一个元素。
   
   选择正弦和余弦编码的原因：

• 正弦和余弦函数是有界的，其值域在[-1, 1]之间。这有助于限制位置编码的大小，使得训练过程更加稳定。如果位置编码的值过大，可能会导致模型在训练过程中出现梯度爆炸或消失的问题，从而影响模型的性能。
• 正弦和余弦函数在周期性和连续性方面表现出色。这意味着对于相邻的位置，其位置编码的变化是平滑的，有助于模型捕捉序列中单词之间的相对位置关系。这种平滑性也有助于模型在推理时处理未见过的长序列，因为模型可以通过插值来估计未知位置的位置编码。

每个向量化后单词都会流经编码器的两层，如下：

Encoder

编码器接收文本向量列表作为输入，它通过将这些向量传递到“self-attention”层，然后传入前馈神经网络，然后将输出向上发送到下一个编码器来处理。

self-attention

计算self-attention的第一步是从编码器的每个输入向量中创**「建三个向量」（在本例中，输入是每个单词的嵌入）。因此，我们为每个单词创建一个「查询向量」、一个「键向量」和一个「值向量」。这些向量是通过将嵌入乘以我们在训练过程中「训练的三个矩阵」**来创建的，这三个矩阵是需要学习的参数矩阵$W^Q、W^K、W^V$。

假如Thinking、Machines这两个单词经过Embedding后得到向量是 $x_1,x_2$，那么 $q_1=x_1{W}^Q,q_2=x_2{W}^Q$，同理可得 $k_1=x_1{W}^K,k_2=x_2{W}^K$、$v_1=x_1{W}^V,v_2=x_2{W}^V$。计算self-attention的第二步是计算分数，假设我们正在计算例子中第一个单词“Thinking”的self-attention，计算当前词与输入句子的每个词的之间相关性：

第三步和第四步是将分数除以$\sqrt{d_{model}}$($\sqrt{64}=8$)（这一步的操作是为了让梯度的传播更稳定，该值是实验设定，非固定值），然后通过softmax操作传递结果。Softmax将分数标准化，使其全部为正值，加起来等于1。

当最终通过softmax计算出来的归一化分数越高时，说明目标词汇和当前词汇的相关性更高。
第五步是将每个value vector乘以softmax分数。这样通过对计算出来的关联性分数乘以向量，就可以实现对不同部分词汇有不同的关注度。
第六步是对加权值向量求和。这将在该位置（对于第一个单词）生成self-attention层的输出，$$z_i=\sum _{i=1}^{N}softmax(\frac{q_i{k}_i}{\sqrt{d_{model}}})v_i$$如图所示：

在Transformer中，整个过程是矩阵计算，结合上述步骤，矩阵运算可表达为：

Multi-Attention

论文中通过添加一种称为“多头”注意力机制，进一步细化了self-attention层。这从两个方面提高了注意层的性能：

1. 它扩展了模型关注不同位置的能力，self-attention的注意力都集中在自身邻近位置，多头注意力则可以扩散注意力至整个句子；
2. 它为注意力层提供了多个“表示子空间”。对于多头注意力，不仅有一组，而且有多组Query/Key/Value 权重矩阵（Transformer设置了8个注意力头，因此每个编码器/解码器有八组）。这些集合中的每一个都是随机初始化的。在训练之后，每一组注意力权重（$W^Q、W^K、W^V$）将输入词嵌入（或来自较低编码器/解码器的向量）投影到不同的表示子空间;
   
   如果我们做上面所述的同样的self-attention计算，只需使用不同的权重矩阵进行8次不同的计算，我们最终得到8个不同的Z矩阵。
   而前馈层则不需要8个矩阵——它需要一个矩阵（每个单词对应一个向量）。这时就需要一种方法把这8个矩阵压缩成一个矩阵，即将它们乘以一个额外的权重矩阵$W^O$进行一次变换：
   
   多头注意力机制的整体流程就可以表示如下：
   

残差连接+LayerNorm

每个编码器中的每个子层（self-attention，ffnn）在其周围都有一个残差连接，然后是一个层进行归一化步骤。

• 反向传播链式法则易产生梯度消失的问题，而残差则通过相加和shortcut操作避免了梯度为0的情况出现，可以缓解梯度消失。
• Layer Normalization是对每个样本单独计算均值和方差，因此不需要考虑不同位置之间的相关性，也不会破坏向量的位置信息。相比之下，Batch Normalization会计算一个batch内所有样本的均值和方差，这可能会破坏Transformer中每个位置的高维向量表示，因为每个位置都包含重要的语义信息。Layer Normalization能够解决Transformer中的内部协变量位移问题。内部协变量位移是指在训练过程中，神经网络层输入的分布在不断变化，导致网络难以训练。Layer Normalization通过规范化层的输出，使得每一层的输入都保持稳定的分布，有助于加速模型的训练过程并提升模型的性能。

Decoder

Mask&Cross Attention

Decoder的初始输入为开始符号转换成对应的向量作为初始的query向量$Q$，编码器中学习到的注意力向量$K、V$会作为解码器的Key矩阵和 Value矩阵来使用，之后的每进行一次解码，对应的query会加上上一步的输出结果转换成的向量，再进行下一步的解码，直到解码器输出终止符（如：<EOS>）：

1. mask attention：mask注意力就是在翻译am时，不会参考后续向量数据，仅考虑上文向量；
2. cross attention：cross含义就是其中一个序列作为输入的Q（Query），定义了输出的序列长度；另一个序列则提供输入的K（Key）和V（Value）。解码器 Attention层是使用前一层的输出来构造Query 矩阵，而Key矩阵和 Value矩阵来自于编码器最终的输出，也就是上面描述的解码过程。

线性层&softmax

最后一个线性层的工作，后面是一个 Softmax 层。线性层是一个简单的全连接神经网络，它将解码器堆栈产生的向量投影到一个更大的向量中，称为 logits 向量，该向量表示当前输出为当前索引映射词汇的概率，最终输出概率最大的预测结果。

损失函数

最终的目标是使得每个输出结果和目标结果之间的差距最小，一般采用的是交叉熵损失：