以下文章来源于NewBeeNLP ，作者高开远
NewBeeNLP.
永远有料，永远有趣
写在前面
本文是对经典论文《Convolutional Neural Networks for Sentence Classification[1]》的详细复现，(应该是)基于TensorFlow 1.1以及python3.6。从数据预处理、模型搭建、模型训练预测以及可视化一条龙讲解，旨在为刚接触该领域不知道如何下手搭建网络的同学提供一个参考。废话不说直接进入主题吧
NLP中的CNN
论文中是使用的CNN框架来实现对句子的分类，积极或者消极。当然这里我们首先必须对CNN有个大概的了解，可以参考我之前的这篇【Deep learning】卷积神经网络CNN结构。目前主流来看，CNN主要是应用在computer vision领域，并且可以说由于CNN的出现，使得CV的研究与应用都有了质的飞跃。
目前对NLP的研究分析应用最多的就是RNN系列的框架，比如RNN,GRU,LSTM等等，再加上Attention，基本可以认为是NLP的标配套餐了。但是在文本分类问题上，相比于RNN，CNN的构建和训练更为简单和快速，并且效果也不差，所以仍然会有一些研究。
那么，CNN到底是怎么应用到NLP上的呢？
不同于CV输入的图像像素，NLP的输入是一个个句子或者文档。句子或文档在输入时经过embedding（word2vec或者Glove）会被表示成向量矩阵，其中每一行表示一个词语，行的总数是句子的长度，列的总数就是维度。例如一个包含十个词语的句子，使用了100维的embedding，最后我们就有一个输入为10x100的矩阵。
在CV中，filters是以一个patch（任意长度x任意宽度）的形式滑过遍历整个图像，但是在NLP中，filters会覆盖到所有的维度，也就是形状为 [filter_size, embed_size]。更为具体地理解可以看下图，输入为一个7x5的矩阵，filters的高度分别为2,3,4，宽度和输入矩阵一样为5。每个filter对输入矩阵进行卷积操作得到中间特征，然后通过pooling提取最大值，最终得到一个包含6个值的特征向量。
弄清楚了CNN的结构，下面就可以开始实现文本分类任务了。
数据预处理
原论文中使用了好几个数据集，这里我们只选择其中的一个——Movie Review Data from Rotten Tomatoes[2]。该数据集包括了10662个评论，其中一半positive一半negative。
在数据处理阶段，主要包括以下几个部分：
1、load file
defload_data_and_labels(positive_file, negative_file): #load data from filespositive_examples=list(open(positive_file, "r", encoding='utf-8').readlines())positive_examples=[s.strip() for s in positive_examples]negative_examples=list(open(negative_file, "r", encoding='utf-8').readlines())negative_examples=[s.strip() for s in negative_examples] # Split by wordsx_text=positive_examples + negative_examplesx_text=[clean_str(sent) for sent in x_text] # Generate labelspositive_labels=[[0, 1] for _ in positive_examples]negative_labels=[[1, 0] for _ in negative_examples]y=np.concatenate([positive_labels, negative_labels], 0)return[x_text, y]
2、clean sentences
defclean_str(string):string = re.sub(r"[^A-Za-z0-9(),!?\'\`]"," ", string) string = re.sub(r"\'s"," \'s", string) string = re.sub(r"\'ve"," \'ve", string) string = re.sub(r"n\'t"," n\'t", string) string = re.sub(r"\'re"," \'re", string) string = re.sub(r"\'d"," \'d", string) string = re.sub(r"\'ll"," \'ll", string) string = re.sub(r","," , ", string) string = re.sub(r"!"," ! ", string) string = re.sub(r"\("," \( ", string) string = re.sub(r"\)"," \) ", string) string = re.sub(r"\?"," \? ", string) string = re.sub(r"\s{2,}"," ", string)returnstring.strip().lower()
模型实现
论文中使用的模型如下所示
其中第一层为embedding layer，用于把单词映射到一组向量表示。接下去是一层卷积层，使用了多个filters，这里有3,4,5个单词一次遍历。接着是一层max-pooling layer得到了一列长特征向量，然后在dropout 之后使用softmax得出每一类的概率。
在一个CNN类中实现上述模型
classTextCNN(object):"""
A CNN class for sentence classification
With a embedding layer + a convolutional, max-pooling and softmax layer
"""def__init__(self, sequence_length, num_classes, vocab_size, embedding_size, filter_sizes, num_filters, l2_reg_lambda=0.0):"""
:param sequence_length: The length of our sentences
:param num_classes: Number of classes in the output layer(pos and neg)
:param vocab_size: The size of our vocabulary
:param embedding_size: The dimensionality of our embeddings.
:param filter_sizes: The number of words we want our convolutional filters to cover
:param num_filters: The number of filters per filter size
:param l2_reg_lambda: optional
这里再注释一下filter_sizes和num_filters。filters_sizes是指filter每次处理几个单词，num_filters是指每个尺寸的处理包含几个filter。
1. Input placeholder
tf.placeholder是tensorflow的一种占位符，与feeed_dict同时使用。在训练或者测试模型阶段，我们可以通过feed_dict来喂入输入变量。
# set placeholders for variablesself.input_x= tf.placeholder(tf.int32, [None, sequence_length], name='input_x')self.input_y= tf.placeholder(tf.float32, [None, num_classes], name='input_y')self.dropout_keep_prob= tf.placeholder(tf.float32, name='dropout_keep_prob')
tf.placeholder函数第一个参数是变量类型，第二个参数是变量shape，其中None表示sample的个数，第三个name参数用于指定名字。
dropout_keep_prob变量是在dropout阶段使用的，我们在训练的时候选取50%的dropout，在测试时不使用dropout。
2. Embedding layer
我们需要定义的第一个层是embedding layer，用于将词语转变成为一组向量表示。
# embedding layerwith tf.name_scope('embedding'):self.W = tf.Variable(tf.random_uniform([vocab_size, embedding_size],-1.0,1.0), name='weight')self.embedded_chars = tf.nn.embedding_lookup(self.W,self.input_x)# TensorFlow’s convolutional conv2d operation expects a 4-dimensional tensor# with dimensions corresponding to batch, width, height and channel.self.embedded_chars_expanded = tf.expand_dims(self.embedded_chars,-1)
W 是在训练过程中学习到的参数矩阵，然后通过tf.nn.embedding_lookup来查找到与input_x相对应的向量表示。tf.nn.embedding_lookup返回的结果是一个三维向量，[None, sequence_length, embedding_size]。但是后一层的卷积层要求输入为四维向量（batch， width，height，channel）。所以我们要将结果扩展一个维度，才能符合下一层的输入。
3. Convolution and Max-Pooling Layers
在卷积层中最重要的就是filter。回顾本文的第一张图，我们一共有三种类型的filter，每种类型有两个。我们需要迭代每个filter去处理输入矩阵，将最终得到的所有结果合并为一个大的特征向量。
# conv + max-pooling for each filterpooled_outputs = []for i, filter_size in enumerate(filter_sizes):withtf.name_scope('conv-maxpool-%s'% filter_size):# conv layerfilter_shape = [filter_size, embedding_size,1, num_filters] W = tf.Variable(tf.truncated_normal(filter_shape,stddev=0.1),name='W') b = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_filters]),name='b')conv= tf.nn.conv2d(self.embedded_chars_expanded, W, strides=[1,1,1,1], padding='VALID',name='conv')# activationh = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv, b),name='relu')# max poolingpooled = tf.nn.max_pool(h, ksize=[1, sequence_length-filter_size +1,1,1], strides=[1,1,1,1], padding='VALID',name='pool') pooled_outputs.append(pooled)# combine all the pooled fraturesnum_filters_total = num_filters *len(filter_sizes)self.h_pool = tf.concat(pooled_outputs,3)# why 3?self.h_pool_flat = tf.reshape(self.h_pool, [-1, num_filters_total])
这里W 就是filter矩阵， tf.nn.conv2d是tensorflow的卷积操作函数，其中几个参数包括
strides表示每一次filter滑动的距离，它总是一个四维向量，而且首位和末尾必定要是1，[1, width, height, 1]。
padding有两种取值：VALID和SAME。
VALID是指不在输入矩阵周围填充0，最后得到的output的尺寸小于input；
SAME是指在输入矩阵周围填充0，最后得到output的尺寸和input一样；
这里我们使用的是‘VALID’，所以output的尺寸为[1, sequence_length - filter_size + 1, 1, 1]。
接下去是一层max-pooling，pooling比较好理解，就是选出其中最大的一个。经过这一层的output尺寸为 [batch_size, 1, 1, num_filters]。
4. Dropout layer
这个比较好理解，就是为了防止模型的过拟合，设置了一个神经元激活的概率。每次在dropout层设置一定概率使部分神经元失效， 每次失效的神经元都不一样，所以也可以认为是一种bagging的效果。
# dropoutwith tf.name_scope('dropout'):self.h_drop = tf.nn.dropout(self.h_pool_flat,self.dropout_keep_prob)
5. Scores and Predictions
我们可以通过对上述得到的特征进行运算得到每个分类的分数score，并且可以通过softmax将score转化成概率分布，选取其中概率最大的一个作为最后的prediction
#score and predictionwith tf.name_scope("output"): W = tf.get_variable('W', shape=[num_filters_total, num_classes], initializer = tf.contrib.layers.xavier_initializer()) b = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_classes]), name='b') l2_loss += tf.nn.l2_loss(W) l2_loss += tf.nn.l2_loss(b)self.score = tf.nn.xw_plus_b(self.h_drop, W, b, name='scores')self.prediction = tf.argmax(self.score,1, name='prediction')
6. Loss and Accuracy
通过score我们可以计算得出模型的loss，而我们训练的目的就是最小化这个loss。对于分类问题，最常用的损失函数是cross-entropy 损失
# mean cross-entropy losswith tf.name_scope('loss'): losses = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=self.score, labels=self.input_y)self.loss = tf.reduce_mean(losses) + l2_reg_lambda * l2_loss
为了在训练过程中实时观测训练情况，我们可以定义一个准确率
# accuracywith tf.name_scope('accuracy'): correct_predictions = tf.equal(self.prediction, tf.argmax(self.input_y,1))self.accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_predictions,'float'), name='accuracy')
到目前为止，我们的模型框架已经搭建完成，可以使用Tensorboardd来瞧一瞧到底是个啥样
模型训练
接下去我们就要开始使用影评数据来训练网络啦。
创建图和session
对于Tensorflow有两个重要的概念：Graph和Session。
Session会话可以理解为一个计算的环境，所有的operation只有在session中才能返回结果；
Graph图就可以理解为上面那个图片，在图里面包含了所有要用到的操作operations和张量tensors。
PS：在一个项目中可以使用多个graph，不过我们一般习惯只用一个就行。同时，在一个graph中可以有多个session，但是在一个session中不能有多个graph。
withtf.Graph().as_default():session_conf=tf.ConfigProto( # allows TensorFlow to fall back on a device with a certain operation implementedallow_soft_placement=FLAGS.allow_soft_placement, # allows TensorFlow log on which devices (CPU or GPU) it places operationslog_device_placement=FLAGS.log_device_placement)sess=tf.Session(config=session_conf)
Initialize CNN
cnn=TextCNN(sequence_length=x_train.shape[1],num_classes=y_train.shape[1],vocab_size=len(vocab_processor.vocabulary_),embedding_size=FLAGS.embedding_dim,filter_sizes=list(map(int, FLAGS.filter_sizes.split(','))),num_filters=FLAGS.num_filters,l2_reg_lambda=FLAGS.l2_reg_lambda)global_step=tf.Variable(0, name='global_step', trainable=False)optimizer=tf.train.AdamOptimizer(1e-3)grads_and_vars=optimizer.compute_gradients(cnn.loss)train_op=optimizer.apply_gradients(grads_and_vars, global_step=global_step)
这里train_op的作用就是更新参数，每运行一次train_op，global_step都会增加1。
Summaries
Tensorflow有一个特别实用的操作，summary，它可以记录训练时参数或者其他变量的变化情况并可视化到tensorboard。使用tf.summary.FileWriter()函数可以将summaries写入到硬盘保存到本地。
# visualise gradientgrad_summaries = []forg, vingrads_and_vars:ifg isnotNone: grad_hist_summary = tf.summary.histogram('{}/grad/hist'.format(v.name),g) sparsity_summary = tf.summary.scalar('{}/grad/sparsity'.format(v.name), tf.nn.zero_fraction(g)) grad_summaries.append(grad_hist_summary) grad_summaries.append(sparsity_summary)grad_summaries_merged = tf.summary.merge(grad_summaries)#outputdirformodelsandsummariestimestamp = str(time.time())out_dir =os.path.abspath(os.path.join(os.path.curdir,'run', timestamp))print('Writing to {} \n'.format(out_dir))# summariesforlossandaccuracyloss_summary = tf.summary.scalar('loss', cnn.loss)accuracy_summary = tf.summary.scalar('accuracy', cnn.accuracy)# train summariestrain_summary_op = tf.summary.merge([loss_summary, accuracy_summary])train_summary_dir =os.path.join(out_dir,'summaries','train')train_summary_writer = tf.summary.FileWriter(train_summary_dir, sess.graph)# dev summariesdev_summary_op = tf.summary.merge([loss_summary, accuracy_summary])dev_summary_dir =os.path.join(out_dir,'summaries','dev')dev_summary_writer = tf.summary.FileWriter(dev_summary_dir, sess.graph)
Checkpointing
checkpointing的作用就是可以保存每个阶段训练模型的参数，然后我们可以根据准确率来选取最好的一组参数。
checkpoint_dir =os.path.abspath(os.path.join(out_dir,'checkpoints'))checkpoint_prefix =os.path.join(checkpoint_dir,'model')ifnotos.path.exists(checkpoint_dir):os.makedirs(checkpoint_dir)saver = tf.train.Saver(tf.global_variables(), max_to_keep=FLAGS.num_checkpoints)
Initializing the variables
在开始训练之前，我们通常会需要初始化所有的变量。一般使用
tf.global_variables_initializer()就可以了。
Defining a single training step
我们可以定义一个单步训练的函数，使用一个batch的数据来更新模型的参数
deftrain_step(x_batch, y_batch):"""
A single training step
:param x_batch:
:param y_batch:
:return:
"""feed_dict = { cnn.input_x: x_batch, cnn.input_y: y_batch, cnn.dropout_keep_prob: FLAGS.dropout_keep_prob } _, step, summaries, loss, accuracy = sess.run( [train_op, global_step, train_summary_op, cnn.loss, cnn.accuracy], feed_dict=feed_dict ) time_str = datetime.datetime.now().isoformat() print("{}: step {}, loss {:g}, acc {:g}".format(time_str, step, loss, accuracy)) train_summary_writer.add_summary(summaries, step)
这里的feed_dict就是我们前面提到的同placeholder一起使用的。必须在feed_dict中给出所有placeholder节点的值，否则程序就会报错。
接着使用sess.run（）运行前面定义的操作，最终可以得到每一步的损失、准确率这些信息。
类似地我们定义一个函数在验证集数据上看看模型的准确率等
defdev_step(x_batch, y_batch, writer=None):"""
Evaluate model on a dev set
Disable dropout
:param x_batch:
:param y_batch:
:param writer:
:return:
"""feed_dict = { cnn.input_x: x_batch, cnn.input_y: y_batch, cnn.dropout_keep_prob:1.0} step, summaries, loss, accuracy = sess.run( [global_step, dev_summary_op, cnn.loss, cnn.accuracy], feed_dict=feed_dict ) time_str = datetime.datetime.now().isoformat() print("{}: step {}, loss {:g}, acc {:g}".format(time_str, step, loss, accuracy))ifwriter: writer.add_summary(summaries, step)
Training loop
前面都定义好了以后就可以开始我们的训练了。我们每次调用train_step函数批量的训练数据并保存：
# generate batchesbatches = data_process.batch_iter(list(zip(x_train, y_train)), FLAGS.batch_size, FLAGS.num_epochs)# training loopforbatchinbatches: x_batch, y_batch = zip(*batch) train_step(x_batch, y_batch) current_step = tf.train.global_step(sess, global_step)ifcurrent_step % FLAGS.evaluate_every ==0:print('\n Evaluation:') dev_step(x_dev, y_dev, writer=dev_summary_writer)print('')ifcurrent_step % FLAGS.checkpoint_every ==0:path= saver.save(sess, checkpoint_prefix, global_step=current_step)print('Save model checkpoint to {} \n'.format(path))
最后输出的效果大概是这样的
Visualizing Results
我们可以在代码目录下打开终端输入以下代码来启动浏览器的tensorboard：
tensorboard--logdir /runs/xxxxxx/summaries
小结
当然这只是一个利用CNN进行NLP分类任务（文本分类，情感分析等）的baseline，可以看出准确率并不是很高，后续还有很多可以优化的地方，包括使用pre-trained的Word2vec向量、加上L2正则化等等。
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