Механизм внимания

Механизм внимания (англ. attention mechanism, attention model) — техника используемая в рекуррентных нейронных сетях (сокр. RNN) и сверточных нейронных сетях (сокр. CNN) для поиска взаимосвязей между различными частями входных и выходных данных.

Изначально механизм внимания был представлен в контексте рекуррентных Seq2seq сетей для "обращения внимания" блоков декодеров на скрытые состояния RNN для любой итерации энкодера, а не только последней.

После успеха этой методики в машинном переводе последовали ее внедрения в других задачах обработки естественного языка и применения к CNN для генерации описания изображения и GAN .

Обобщенный механизм внимания

Обобщенный механизм внимания (англ. general attention) — разновидность внимания, задачей которой является выявление закономерности между входными и выходными данными. Изначально механизм внимания представленный в оригинальной подразумевал именно этот тип внимания.

Пример использования обобщенного механизма внимания для задачи машинного перевода

Для лучшего понимания работы обобщенного механизма внимания будет рассмотрен пример его применения в задаче машинного перевода при помощи Seq2seq сетей для решения которой он изначально был представлен.

Базовая архитектура Seq2seq

Пример работы базовой Seq2seq сети

Для понимания механизма внимания в Seq2seq сетях необходимо базовое понимание Seq2seq архитектуры до введения механизма внимания.

Seq2seq состоит из двух RNN — Энкодера и Декодера.

Энкодер — принимает предложение на языке A и сжимает его в вектор скрытого состояния.

Декодер — выдает слово на языке B, принимает последнее скрытое состояние энкодера и предыдущее предыдущее предсказанное слово.

Рассмотрим пример работы Seq2seq сети:

[math]x_i[/math] — слова в предложении на языке A.

[math]h_i[/math] — скрытое состояние энкодера.

Блоки энкодера (зеленый) — блоки энкодера получающие на вход [math]x_i[/math] и передающие скрытое состояние [math]h_i[/math] на следующую итерацию.

[math]d_i[/math] — скрытое состояние декодера.

[math]y_i[/math] — слова в предложении на языке B.

Блоки декодера (фиолетовый) — блоки декодера получающие на вход [math]y_{i-1}[/math] или специальный токен start в случае первой итерации и возвращаюшие [math]y_i[/math] — слова в предложении на языке B. Передают [math]d_i[/math] — скрытое состояние декодера на следующую итерацию. Перевод считается завершенным при [math]y_i[/math], равном специальному токену end.

Применение механизма внимания для Seq2seq

Несмотря на то, что нейронные сети рассматриваются как "черный ящик" и интерпретировать их внутренности в понятных человеку терминах часто невозможно, все же механизм внимания интуитивно понятный людям смог улучшить качество машинного перевода базового Seq2seq алгоритма.

Успех использования этого подхода в задаче машинного перевода обусловлен лучшим выводом закономерностей между словами находящимися на большом расстоянии друг от друга. Несмотря на то, что LSTM и GRU блоки используются именно для улучшения передачи информации с предыдущих итераций RNN их основная проблема заключается в том, что влияние предыдущих состояний на текущее уменьшается экспоненциально от расстояния между словами, в то же время механизм внимания улучшает этот показатель до линейного.

RNN используются при обработке данных, для которых важна их последовательность. В классическом случае применения RNN результатом является только последнее скрытое состояние [math]h_m[/math], где [math]m[/math] — длина последовательности входных данных. Использование механизма внимания позволяет использовать информацию полученную не только из последнего скрытого состояния, но и любого скрытого состояния [math]h_t[/math] для любого [math]t[/math].

Устройство слоя механизма внимания

Обобщенный механизм внимания в RNN

Слой механизма внимания представляет собой обычную, чаще всего однослойную, нейронную сеть на вход которой подаются [math]h_t, t = 1 \ \ldots m[/math], а также вектор [math]d[/math] в котором содержится некий контекст зависящий от конкретной задачи.

В случае Seq2seq сетей вектором [math]d[/math] будет являться скрытое состояние [math]d_{i-1}[/math] предыдущей итерации декодера.

Выходом данного слоя будет является вектор [math]s[/math] (англ. score) — оценки на основании которых на скрытое состояние [math]h_i[/math] будет "обращено внимание".

Далее для нормализации значений [math]s[/math] используется [math]softmax[/math]. Тогда [math]e = softmax(s)[/math]

[math]softmax[/math] здесь используется благодаря своим свойствам:

• [math]\forall s\colon\ \sum_{i=1}^n softmax(s)_i = 1, [/math]
• [math]\forall s,\ i\colon \ softmax(s)_i \gt = 0 [/math]

Далее считается [math]c[/math] (англ. context vector)

[math]с = \sum_{i=1}^m e_i h_i[/math]

Результатом работы слоя внимания является [math]c[/math] который, содержит в себе информацию обо всех скрытых состояниях [math]h_i[/math] пропорционально оценке [math]e_i[/math].

Применение механизма внимания к базовой Seq2seq архитектуре

Пример работы Seq2seq сети с механизмом внимания

При добавлении механизма в данную архитектуру между RNN Энкодером и Декодером слоя механизма внимания получится следующая схема:

Здесь [math]x_i, h_i, d_i, y_i[/math] имеют те же назначения, что и в варианте без механизма внимания.

Агрегатор скрытых состояний энкодера (желтый) — агрегирует в себе все вектора [math]h_i[/math] и возвращает всю последовательность векторов [math]h = [h_1, h_2, h_3, h_4][/math].

[math]c_i[/math] — вектор контекста на итерации [math]i[/math].

Блоки механизма внимания (красный) — принимает [math]h[/math] и [math]d_{i - 1}[/math], возвращает [math]c_i[/math].

Блоки декодера (фиолетовый) — по сравнению с обычной Seq2seq сетью меняются входные данные. Теперь на итерации [math]i[/math] на вход подается не [math]y_{i-1}[/math], а конкатенация [math]y_{i-1}[/math] и [math]c_i[/math].

Таким образом при помощи механизма внимания достигается "фокусирование" декодера на определенных скрытых состояниях. В случаях машинного перевода эта возможность помогает декодеру предсказывать на какие скрытые состояния при исходных определенных словах на языке A необходимо обратить больше внимания при переводе данного слова на язык B. То есть на какие слова из исходного текста обратить внимание при переводе конкретного слова на язык назначения.

Self-Attention

Пример работы Self-Attention

Self-Attention — разновидность внимания, задачей которой является выявление закономерности только между входными данными.

Данная методика показала себя настолько эффективной в задаче машинного перевода, что позволила отказаться от использования RNN и заменить их на обычные нейронные сети в комбинации с механизмом Self-attention в архитектуре трансформер.

Это позволило ускорить работу алгоритма, поскольку ранее предложение обрабатывалось последовательно при помощи RNN. При использовании трансформера каждое слово в предложении обрабатывается может обрабатываться параллельно.

Основным отличием Self-Attention от обобщенного механизма внимания является, что он делает заключения о зависимостях исключительно между входными данными.

Рассмотрим предложение The animal didn't cross the street because it was too tired и результат работы алгоритма Self-attention для слова it. Полученный вектор соответствует взаимосвязи слова it со всеми остальными словам в предложении.

Из визуализации вектора можно заметить, что механизм Self-attention обнаружил взаимосвязь между словами it и animal. Этот результат можно интуитивно объяснить с человеческой точки зрения, что позволяет алгоритмам машинного обучения, использующим данный подход, лучше решать задачу принимая во внимание контекстные взаимосвязи.

Также Self-Attention успешно применяется применяется в GAN сетях, частности в алгоритме SAGAN.

См. также

• Сверточные нейронные сети
• Нейронные сети, перцептрон
• Рекуррентные нейронные сети

Источники информации

• Статья о механизме внимания, его типах и разновидностях
• Лекция Andrew Ng о механизме внимания в NLP
• Статья с подробно разборанными примерами и кодом на Python и TensorFlow
• Статья c примерами работы Self-attention