论文解读 | Convolutional Sequence to Sequence Learning

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论文解读 | Convolutional Sequence to Sequence Learning

2017 年 5 月 19 日 机器之心

邓侃

卡耐基梅隆大学博士

北京大数医达科技有限公司CTO

1. PaperWeekly 论文阅读小组

阅读论文是小众活动，阅读者分散在全球各地。PaperWeekly 论文阅读小组，把分散在全球的华人阅读者，聚合在一起。不仅互帮互助读懂论文，而且通过讨论，激发灵感。

进入 PaperWeekly 的网站，阅读者不仅可以看到本周热点论文标题，而且可以在线阅读论文正文。

网页左侧显示的是论文正文，阅读者可以在论文上划重点。网页右侧是讨论区，阅读者点击左侧重点语句后，就可以在右侧，针对这一句话提问和讨论。

参与者针对同一篇论文，逐段逐句地讨论。不仅讨论的话题聚焦，而且是最细颗粒度的讨论，非常深入。

论文读起来略感艰深，但是不乏乐趣。

譬如本周大家正在讨论的一篇论文，是 Facebook AI lab 上周（2017.5.12）发表的 “Convolutional Sequence to Sequence Learning” [1]。

这篇论文很轰动，因为 Facebook 把这项技术用于机器翻译，不仅精度超过了机器翻译的业界老大，Google Translate，而且翻译速度提高了 9 倍。

先读读该论文的摘要。论文摘要开门见山第一句话，就充满戏剧冲突。

“当前 Seq2Seq 流行的方式，是通过循环神经网络，把输入序列，转变变长的输出序列。我们提议一个新架构，完全依赖于卷积网络”。这是打擂台的语调哟。

读论文的乐趣之一，就是围观打擂。Facebook 这篇论文的主题，是卷积网络 CNN 与循环网络 RNN，在机器翻译和机器阅读领域的对决。

如果我们把镜头拉远一点，对决的不止是 CNN vs RNN。

2. 传统 NLP 对决深度学习

人类阅读的时候，往往从语句提炼出关键词和语义关系。

例如，阅读这个语句 “患者自诉无诱因出现咳嗽，浓痰，无咯血，夜间及运动后加剧”。

整个语句中最重要的词汇是 “咳嗽”，其次重要的词汇是 “浓痰” 和 “加剧”，再次是 “无咯血”、“无诱因”。这是整个语句中各个词汇的重要性排行。

“夜间” 和 “运动后” 是 “加剧” 的属性。而 “加剧” “浓痰” “无咯血”，是 “咳嗽” 的属性。这是词汇之间的依存关系。

想从语句中提炼出关键词和语义关系，传统的做法是，在理解语义之前，先对语句做标注和句法解析。分析出句子的主谓宾定语状语（tagging），然后把整个语句转换成树状的结构体（parsing）。根据树状结构体，很容易判断语句中各个词汇的重要性，以及词汇之间的依存关系。

先解析语法，然后理解语义，这是传统的做法。对于这种传统做法，业界有很大争议。

2016 年人工智能领域一大突破性进展，是谷歌翻译，从研究课题成为产品级服务，正式上线服务网民。谷歌翻译的核心技术就是 Seq2Seq。

Seq2Seq 这一技术，不仅可以用于机器翻译，而且也可以用于机器阅读，譬如让机器阅读一篇长文，然后自动生成文章摘要。

乘胜追击，深度学习学派试图把 Seq2Seq 这项技术，从机器翻译，拓展到整个自然语言处理领域。

3. 卷积 Convolution 对决循环 Recurrency

Seq2Seq 先把语句转换为一组词向量，通过对词向量的剪辑，提炼出语义向量。但是对于如何剪辑，深度学习学派内部又有争议。

先前占据话语权的一派，提议使用 LSTM 等等循环模型（RNN），来实现语义剪辑。RNN 模型的剪辑手段是三重门，记忆门、遗忘门、和输出门。

沿用上例，“患者自诉无诱因出现咳嗽，浓痰，无咯血，夜间及运动后加剧”，经过三重门的剪辑，“咳嗽” 的语义向量，不仅包含 “咳嗽” 的内容，也包含着 “无诱因” 和 “浓痰” 这些上下文的内容。

RNN 模型的突出优势，是很好地解决了长距离依赖的难题。沿用上例，“加剧” 对应的语义向量，不仅包含 “加剧” 的内容，而且也包含 “咳嗽” 的内容。

Facebook 这篇论文之所以轰动，是因为他们使用了 CNN 卷积模型，来取代 RNN 循环模型。不仅精度超越循环模型，而且训练速度提高了 9 倍。

PaperWeekly 阅读组里讨论的热点有二，为什么更快？为什么更准？

CNN 比 RNN 的训练速度快，这一点容易理解，没有争议。卷积比循环的训练速度快，这是由两个因素造成的必然结果。

卷积可以并行处理，而循环只能按顺序依次处理。在云计算平台上，让多个机器同时并行训练卷积模型，速度当然比串行训练循环模型来得快。

可以用 GPU 芯片来加速卷积模型的训练，而暂时还没有硬件能够加速 RNN 的训练。

有争议之处，在于精度的高下，究竟是取决于 CNN vs RNN 模型的不同，还是取决于解码技术，尤其是解码器的关键技术 attention 的改进？

个人认为，卷积（convolution）的层层抽象，与循环（recurrency）的三重门，其实是异曲同工。虽然手段不同，但是目的都是忽略次要内容，传承重要内容。所以，在精度方面，卷积与循环不会有太大差距。

Facebook translate 与 Google translate 的精度差异，应该来自于 Facebook translate 对于 attention 的改进。

4. Attention 的擂台刚刚拉开帷幕

Facebook 研究组，对 attention 做了改进，体现在两点。

Google Translate 的解码器使用的是单层的 LSTM 模型，相应地，attention 也是单层的。Facebook 的解码器使用的是 CNN 模型，是多层的。相应地，Facebook 的 attention 是多跳的（multi-hop）。越是底层的 attention，越聚焦，细节越丰富。越是高层的 attention，视野越开阔，抽象程度越高，越能抓住文章主旨。

Google Translate 使用的 attention，依赖于编码器生成的语义向量，而不依赖于输入的原生态的词向量。而 Facebook 的 attention，对语义向量和原生态词向量兼收并取。语义向量负责把握主旨，保证解码器的输出不偏题。原生态词向量关注措辞，保障解码器的输出用词得当。

对于 attention 的改进，个人预感近期内将会有更大的突破。无论 Google 的 attention，还是 Facebook 的版本，在计算 attention 的权重时，都以计算向量间的距离为基础。简单点说，就是寻找语句中字面意思最贴近的词汇。

这种只聚焦字面意思的 attention 的计算方式，是无法解决 “话外有话” 的暗示型的语句的。同样是英语，英国人说话比美国人委婉。单靠理解字面意思，是无法理解英国人真实的态度的。

个人猜想，将来 attention 的机制，还得融入规则。同理，只理解字面意思的 attention 的计算方式，也无法理解 “引经据典” 和 “含沙射影” 的联想型的语句。要正确理解 “引经据典” 和 “含沙射影” ，将来 attention 的机制，还得融入知识图谱。

5. 其他用户讨论精选

Pandabro

dis-tributional space as w= (w1,....,wm)

这个 distributional space 还有 position embedding 是事先学好的还是在 model 里面学的？因为之后要把两个 embedding 相加，需要保证 word embedding 和 position embedding 是在同一个 space 里吧？如何保证呢？

kan_deng：是预处理的。把两个 embedding 相加，是为了方便计算。譬如有个句子，“I am here”，每个词都有一个 512 维的词向量，同时三个词的序列号分别是 1、2、3。把 1、2、3 也转化成 512 维的词向量，然后两个词向量拼接在一起，形成 1024 维的向量。这样做是为了方便计算。当然，序列号的词向量，完全可以用低维度向量，但是为了方便，仍把序列号的词向量也定为与词向量同等维度。

ZhaoTIanyu

Convolutional net-works do not depend on the computations of the previoustime step and therefore allow parallelization over every ele-ment in a sequence. This contrasts with RNNs which main-tain a hidden state of the entire past that prevents parallelcomputation within a sequence

在序列处理中，CNN 比 RNN 快是因为 CNN 不需要上一步的 state 来计算当前 state，所以每一步可以并行计算。

zhangjun：CNN 在之前的文本学习中通常处理口语化、短文本效果比较好。记得之前 tong zhang 老师有篇 paper 是对比 RNN 和 CNN 在文本分类上效果的对比。

pandabro：处理短文本效果好可能只是因为 CNN 的 input coverage 不够大同时 model 不够 deep。这个问题应该可以逐步解决。

Jasonqhjia：在文本分类上，CNN 比 RNN 效果好，同时训练速度快。

zeng

Figure 1.Illustration of batching during training.

batch the attention computation across all elements of a sequence compared to RNN. 图中中间的矩阵就是 attention 矩阵，每 i 行对应输出中的第 i 个词对于输入句子所有词的 attention 的分布。因为训练的时候，decoder 段也是直接用 cnn，不存在时间上的依赖，所以可以同时计算所有词的 attention 分布。但是文中没有说怎么 batch the various input sequence length，还请知道的解释一下，如何用 CNN 批处理变长的输入；传统的都是统一 padding 成一个长度，或者一组长度；针对 RNN， pytorch 里面有 packedSequence，tf 也有 lengths 这个属性，但是针对 CNN 不知道是怎么处理的。

WarBean：可以在每个 softmax attention 之后乘个 mask，盖掉那些输入 padding 的位置，再 normalize 回一个概率向量作为真正的 attention。

6. 参考文献

[1] Convolutional Sequence to Sequence Learning.

https://arxiv.org/abs/1705.03122