深度学习之 卷积网络(textCNN)

近期利用零散的时间，系统的学习下 nlp经典的模型，主要是看了韩国一个小哥哥的github开源代码，写的很好，大家有时间 可以去看看，美中不足的是没有注释和说明，这里我主要是参考他的代码，自己学习学习，并顺便把nlp的零散的基础知识补充一下

基础知识回顾：

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一. 认识CNN网络

在此温习下卷积神经网络(CNN),下面出现的图片，是在网络中找的，如有冒犯，请勿见怪

1. 引入一个例子，边界检测

假如 上图大小是 8x8，数字代表的是像素值，明显看到10比0的位置要亮一些，像素值越大越亮,中间的边界 就是需要我们检测的边界

2. 怎么检测？ 用什么方法

对，用的就是右边的一个小矩阵（3x3），也叫滤波器 filter、kernel

使用右边的滤波器，从原始图片(8x8) 坐标(0,0)起始的位置进行覆盖，也就是对应的元素相乘再求和。依次按照步子大小 ，向右边和向下边开始移动，直到把原始图片每一个角落都覆盖到，最终生成一个新的矩阵。 

 假设步长为1，就是每一次移动一个步，则生成的新的矩阵的大小为 （6 x 6）  6 =  8-3 + 1，最终的过程如下所示：

                                                                                                    边界检测过程

3.结论

（1). 我们可以通过设计特定的filter，让它去跟图片做卷积，就可以识别出图片中的某些特征,比如边界

  (2). CNN（convolutional neural network），主要就是通过一个个的filter（滤波器），不断地提取特征，从局部的特征到总体的特征，从而进行图像识别等等功能

4.思考

   filter 怎么设计？ 多大？ 怎么提取特征？ 特征的数量？ 。。。学过神经网络之后，我们就知道，这些filter，根本就不用我们去设计，每个filter中的各个数字，不就是参数吗，我们可以通过大量的数据，来 让机器自己去“学习”这些参数，有现成的框架，如 TensorFlow  、Pytorch

二. CNN网络基本概念

1. padding参数

从上面的例子我们看出来了，每次卷积后，都是减少矩阵的大小，经过几次卷积，生成新的矩阵越来越小，最终没了。还有另外一个问题，大家可以想想，就是每次卷积边缘数值参与计算很少，这样的话，容易丢失边缘特征信息。为此，可以在每次卷积结束，边缘部分通过padding 一个数值来 保持矩阵的大小，同时也保证了边缘的数值参与计算的次数不减少

如上图所示，我们把(8,8)的图片给补成(10,10)，那么经过(3,3)的filter之后，就是(8,8)，没有变

padding的情况有两种方式：

(1).卷积之后大小不变的方式 称之为"Same" 方式

(2). 卷积过程中，不做任何操作，不做padding ，称之为 "Valid"方式

2. stride步长

stride步长指的是 上面卷积过程中的，向左或向下移动filter的 步子大小，一般默认步长都是1，example,原始图片输入(8 x 8)的大小，filter的大小是(3 x 3)

stride = 1, 则输出（6 x 6）， 6 =(8 - 3)/1 + 1

stride = 2, 则输出(3 x 3),  3 = (8-3)/2 + 1 ,向下取整数

3.pooling 池化

pooling池化主要是对卷积后的矩阵进行特征提取操作，特征提取的方式，有max 或者 avage ，看下面：

上图是max Pooling 主要是提取特征范围内的 最大值，采用了一个2×2的窗口，并取stride=2，生成的大小为(3X3), (6-2)/stride + 1 = 3

针对于 AveragePooling(取采样窗口中的平均值) ,左上角的采样窗口得到的大小是 5,而不是 9

4.多通道(channel)的卷积

彩色图像，一般都是RGB三个通道（channel）的，因此输入数据的维度一般有三个：（长，宽，通道）28 x 28 大小的 RGB图片，维度大小就是(28,28,3)

针对上面的 （8x8）-> (3x3) filter -> (6x6) ，此时就变成下面的方式：

(8x8x3) -> (3x3x3) filter ->(6x6)

filter的维度变成三维的，最后一维度和channel的大小一样，是三个channel的所有元素对应相乘后求和，也就是之前是9个乘积的和，现在是27个乘积的和。因此，输出的维度并不会变化。还是(6,6)。一般情况都是使用多个filter 进行卷积，如 使用4个  filter进行卷积，输出的维度为(6x6x4)；

5.总结

从上文得到，卷积（convolution）、池化（pooling）以及填白（padding）是怎么进行处理的，他一共包括三个部分：

(1).卷积层 Convolutional 

卷积层是 由 滤波器filters和激活函数构成，通常需要设置的超参数包括filters的数量、大小、步长，以及padding是“valid”还是“same”，以及选择激活函数的种类

(2).池化层 Convolutional 

一般有两种情况，一种是Maxpooling 或者 是Averagepooling。通常需要指定的超参数，包括是Max还是average，窗口大小以及步长。

(3).全连接层 FC

每一个单元都和前一层的每一个单元相连接，所以称之为“全连接”。这里要指定的超参数，无非就是神经元的数量，以及激活函数。

三. textCNN网络

从上文中我们已经学习了CNN网络的三大要素，如 卷积核(滤波器 filter), 再到池化层，再到输出的 FC层。TextCNN是Yoon Kim小哥在2014年提出的模型，借鉴于CNN网络，大致的逻辑如下：

1. 输入是 [batch_size,seq_len,embed_dim]，batch 大小，token 长度，embed的大小

2.使用N个卷积核  得到的维度为 [batch_size,N,feature_map.size,feature_map.size]

3.使用maxPooling, 使用max_pool1d(size)  , 1x size 的采样窗口，步长默认是1，取max数值

4. 上文得到的向量 拍平，进行 softmax分类

注意事项：（参考李 rumor）

1. Filter尺寸：这个参数决定了抽取n-gram特征的长度，这个参数主要跟数据有关，平均长度在50以内的话，用10以下就可以了，否则可以长一些。在调参时可以先用一个尺寸grid search，找到一个最优尺寸，然后尝试最优尺寸和附近尺寸的组合
2. Filter个数：这个参数会影响最终特征的维度，维度太大的话训练速度就会变慢。这里在100-600之间调参即可
3. CNN的激活函数：可以尝试Identity、ReLU、tanh
4. 正则化：指对CNN参数的正则化，可以使用dropout或L2，但能起的作用很小，可以试下小的dropout率(<0.5)，L2限制大一点
5. Pooling方法：根据情况选择mean、max、k-max pooling，大部分时候max表现就很好，因为分类任务对细粒度语义的要求不高，只抓住最大特征就好了
6. Embedding表：中文可以选择char或word级别的输入，也可以两种都用，会提升些效果。如果训练数据充足（10w+），也可以从头训练
7. 蒸馏BERT的logits，利用领域内无监督数据
8. 加深全连接：原论文只使用了一层全连接，而加到3、4层左右效果会更好

四.代码展示:

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import pdb
import torch.nn.functional as F
import numpy as np

### textCNN 文本分类
num_class = 2 ## 二分类
embedding_size = 3  ## embed 的维度大小

class TextCNN(nn.Module):
    def __init__(self,num_channels = 1) -> None:  ## input  [6,1,3,3]
        super(TextCNN,self).__init__()
        
        self.embed = nn.Embedding(voc_size, embedding_size)
        self.conv1 = nn.Conv2d(num_channels,5,1,1) # num_channel = 1 表示通道数, 5 表示 filter kernel 的数量，滤波器的数量
        ###  1 -> filter的大小 1*1 的大小, 1 -> stride 步子的大小
        self.conv2 = nn.Conv2d(5,5,1,1)  ## input = [6,5,3,3] batch = 6, channel_num = 5,filter_size =1, stride = 1
        self.fc = nn.Linear(5*3*3,num_class)

    def forward(self,X):
        
        embedded = self.embed(X)  ##  X [6,3],embedded = [6,3,3]
        X = embedded.unsqueeze(1)   ## X = [6,1,3,3] ,针对第一个维度进行扩充,由之前的三维变成现在的四维

        out1 = self.conv1(X) ## X -> [6,1,3,3]   out1 -> [6,5,3,3]   3 = (3-1)/stride + 1 
        y1 = F.relu(out1)  ##  y -> [6,5,3,3]
        y1 = F.max_pool2d(y1,1,1)

        out2 = self.conv2(y1) ## out2 = [6,5,3,3]
        y2 = F.relu(out2)  ##  y -> [6,5,3,3]

        y2 = F.max_pool2d(y2,1,1)

        y2 = y2.view(-1,5*3*3)
        out = self.fc(y2)
        return out        


if __name__ == '__main__':

    
    ###主要是用于情感分类
    sentences = ["i love you", "he loves me", "she likes baseball", "i hate you", "sorry for that", "this is awful"]
    labels = [1, 1, 1, 0, 0, 0]

    word_list = ' '.join(sentences).split()
    word_list = list(set(word_list))
    word_dict = {w:i for i,w in enumerate(word_list)}
    voc_size = len(word_list)
    
    model = TextCNN()
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

    inputs = torch.LongTensor([np.asarray([word_dict[n] for n in sen.split()]) for sen in sentences])
    targets = torch.LongTensor([out for out in labels]) # To using Torch Softmax Loss function

    # pdb.set_trace()
    # Training
    for epoch in range(5000):
        optimizer.zero_grad()
        output = model(inputs)

        # output : [batch_size, num_classes], target_batch : [batch_size] (LongTensor, not one-hot)
        loss = criterion(output, targets)
        if (epoch + 1) % 200 == 0:
            print('Epoch:', '%04d' % (epoch + 1), 'cost =', '{:.6f}'.format(loss))

        loss.backward()   ## Loss  方向传播 
        optimizer.step()  ##  每一次参数迭代更新

    # Test
    test_text = 'sorry hate you'
    tests = [np.asarray([word_dict[n] for n in test_text.split()])]
    test_batch = torch.LongTensor(tests)

    # Predict
    predict = model(test_batch).data.max(1, keepdim=True)[1]
    if predict[0][0] == 0:
        print(test_text,"is Bad Mean...")
    else:
        print(test_text,"is Good Mean!!")