BiLSTM模型中CRF层的运行原理-1

本文框架如下：

介绍——在命名实体识别任务中，BiLSTM模型中CRF层的通用思想

详细的实例——通过实例来一步步展示CRF的工作原理

实现——CRF层的一步步实现过程

谁可以读本文——本文适用与NLP初级入门者或者AI其他相关领域

需要有的基础知识：你只需要知道什么是命名实体识别，如果你不懂神经网络，条件随机场（CRF）或者其它相关知识，不必担心，本文将向你展示CRF层是如何工作的。本文将尽可能的讲的通俗易懂。

1.介绍

        基于神经网络的方法，在命名实体识别任务中非常流行和普遍。在文献【1】中，作者提出了Bi-LSTM模型用于实体识别任务中，在模型中用到了字嵌入和词嵌入。本文将向你展示CRF层是如何工作的。

        如果你不知道Bi-LSTM和CRF是什么，你只需要记住他们分别是命名实体识别模型中的两个层。

1.1开始之前

        我们假设我们的数据集中有两类实体——人名和地名，与之相对应在我们的训练数据集中，有五类标签：

        B-Person， I- Person，B-Organization，I-Organization， O

       假设句子x由五个字符w1,w2,w3,w4,w5组成，其中【w1,w2】为人名类实体，【w3】为地名类实体，其他字符标签为“O”。

1.2BiLSTM-CRF模型

        以下将给出模型的结构：

        第一，句子x中的每一个单元都代表着由字嵌入或词嵌入构成的向量。其中，字嵌入是随机初始化的，词嵌入是通过数据训练得到的。所有的嵌入在训练过程中都会调整到最优。

        第二，这些字或词嵌入为BiLSTM-CRF模型的输入，输出的是句子x中每个单元的标签。

图1. Bi-LSTM结构图

        尽管一般不需要详细了解BiLSTM层的原理，但是为了更容易知道CRF层的运行原理，我们需要知道BiLSTM的输出层。

图2.Bi-LSTM标签预测原理图

        如上图所示，BiLSTM层的输出为每一个标签的预测分值，例如，对于单元w0,BiLSTM层输出的是1.5 (B-Person), 0.9 (I-Person), 0.1 (B-Organization), 0.08 (I-Organization) and 0.05 (O). 这些分值将作为CRF的输入。

1.3 如果没有CRF层会怎样

        你也许已经发现了，即使没有CRF层，我们也可以训练一个BiLSTM命名实体识别模型，如图3.所示：

图3.去除CRF的BiLSTM命名实体识别模型

        由于BiLSTM的输出为单元的每一个标签分值，我们可以挑选分值最高的一个作为该单元的标签。例如，对于单元w0,“B-Person”有最高分值—— 1.5，因此我们可以挑选“B-Person”作为w0的预测标签。同理，我们可以得到w1——“I-Person”，w2—— “O” ，w3——“B-Organization”，w4——“O”。

        虽然我们可以得到句子x中每个单元的正确标签，但是我们不能保证标签每次都是预测正确的。例如，图4.中的例子，标签序列是“I-Organization I-Person” and “B-Organization I-Person”，很显然这是错误的。

图4. 去除CRF层的BiLSTM模型

1.4CRF层能从训练数据中获得约束性的规则

        CRF层可以为最后预测的标签添加一些约束来保证预测的标签是合法的。在训练数据训练过程中，这些约束可以通过CRF层自动学习到。

这些约束可以是：

I：句子中第一个词总是以标签“B-“ 或 “O”开始，而不是“I-”

II：标签“B-label1 I-label2 I-label3 I-…”,label1, label2, label3应该属于同一类实体。例如，“B-Person I-Person” 是合法的序列, 但是“B-Person I-Organization” 是非法标签序列.

III：标签序列“O I-label” is 非法的.实体标签的首个标签应该是 “B-“ ，而非 “I-“, 换句话说,有效的标签序列应该是“O B-label”。

有了这些约束，标签序列预测中非法序列出现的概率将会大大降低。

参考文献：【1】