机器学习 - LSTM应用之sequence generation

2023-12-18 15:31:58

概述

LSTM在机器学习上面的应用是非常广泛的，从股票分析，机器翻译到语义分析等等各个方面都有它的用武之地，经过前面的对于LSTM结构的分析，这一节主要介绍一些LSTM的一个小应用，那就是sequence generation。其实sequence generation本事也是对一些应用的统称，例如: 让机器学习音乐后然后让机器根据学习的模型自己创造音乐（制作人快要失业啦。。。。），让机器学习某种语言然后让这个学习到的模型自己产生Word来说话，等等。这其实本质是一种one-to-many的LSTM网络结构。这一节内容主要就是讲解这一种网络结构的应用。

Sequence generation的网络结构分析

在咱们实际实施并且写代码之前，咱们首要的任务是如何搭建一个sequence generation的网络结构。一个sequence generation的网络结构其实也是分为两个部分，第一部分是encoding （modeling），也就是咱们建模的网络，它是一个many-to-many的网络结构；第二部分是decoding的过程，它是一个one-to-many的结构。那么具体这个网络结构是什么样呢？咱们看看下面的图片

上面的图片展示的就是一个sequence generation从encoding到decoding的全过程和结构。在咱们的这个应用中，咱们的encoding中每一个time step的输入是一个文字，输出则是相应输入的后一个字，这些数据都来自于咱们的training data；等到咱们训练完成后，咱们将训练得来的LSTM cell来构建一个decoding网络，就是咱们只输入一个单词，它根据咱们的之前学习的model，来自动的预测咱们要说什么话，是不是很cool？？当然啦，在encoding阶段，咱们的LSTM具体有多少的time steps,是根据咱们的input data的shape来决定的；在decoding阶段具体有多少的time step则是由咱们自己来决定的, 咱们需要用一个for loop来决定咱们在decoding阶段的time steps。从上图，咱们也可以很明显的看出在decoding的时候，咱们只有一个输入X，后面time step的输入则都是前一个time step的输出。上面就是怎么sequence generation的一个整体的结构。那么就下来，咱们就分析一些它的代码，看看咱们如何用代码来实现上面的网络结构。

Sequence generation 代码分析

从上面的分析，咱们可以看出sequence generation是由两个部分组成，那么自然咱们代码也肯定得分成两部分来实现上图中的网络结构，那么接下来咱们来看看第一步，就是如何用Python来实现encoding的结构，代码如下所示，咱们看着代码来慢慢分析：

#define shared variables
n_a=64
n_values = 78 # dimensions of out single input 
reshapor = keras.layers.Reshape((1, n_values))                  # Used in Step 2.B of djmodel(), below
LSTM_cell = keras.layers.LSTM(n_a, return_state = True)         # Used in Step 2.C, return_state muset be set 
densor = keras.layers.Dense(n_values, activation='softmax')     # Used in Step 2.D

#multiple inputs (X, a, c), we have to use functional Keras, other than sequential APIs
def create_model(Tx, n_a, n_values):
    """
    Implement the model
    
    Arguments:
    Tx -- length of the sequence in a corpus
    n_a -- the number of activations used in our model
    n_values -- number of unique values in the music data 
    
    Returns:
    model -- a keras instance model with n_a activations
    """
    
    # Define the input layer and specify the shape
    X = keras.Input(shape=(Tx, n_values))#input omit the batch_size dimension,  X is still 3 dimensiones (with batch_size dimension).
    
    # Define the initial hidden state a0 and initial cell state c0
    a0 = keras.Input(shape=(n_a,), name='a0')
    c0 = keras.Input(shape=(n_a,), name='c0')
    a = a0
    c = c0
    

    # Step 1: Create empty list to append the outputs while you iterate 
    outputs = []
    
    # Step 2: Loop
    for t in range(Tx):
        
        # Step 2.A: select the "t"th time step vector from X. 
        x = keras.layers.Lambda(lambda x: X[:,t,:])(X)
        # Step 2.B: Use reshapor to reshape x to be (1, n_values) (≈1 line)
        #因为LSTM layer默认的输入的dimension是 (batch_size, Tx, n_values)，其中batch_size是省略的， 即是（Tx, n_values）。如果是（Tx,n_values）的话，LSTM()会默认循环Tx次，因而，咱们将它reshape成（1，n_values）,它就不会循环了。
        x =  reshapor(x)
        # Step 2.C: Perform one step of the LSTM_cell
        a, _, c = LSTM_cell(x, initial_state=[a,c])
        # Step 2.D: Apply densor to the hidden state output of LSTM_Cell
        out = densor(a) #out's shape is (m,1,n_values)
        # Step 2.E: add the output to "outputs"
        outputs.append(out)
        
    # Step 3: Create model instance
    model = keras.Model(inputs=[X,a0,c0],outputs=outputs)

    return model

从上面的代码，咱们可以看出，首先咱们得定义一些shared variable，例如a, c的dimension， LSTM_cell，等等这些，这些变量在咱们的model中无论是encoding还是decoding都是公用的，并不是说一个LSTM layer就含有很多个LSTM_cell，这是错误的理解（虽然咱们图片上面是这么画的，但这是为了方便大家理解才画了很多个LSTM_cell，实际是同一个LSTM_cell，希望不要误解）。首先咱们构建这个网络需要的参数有，Tx = time_steps； n_a = a，c的vector的dimension；以及n_values = 咱们每一个输入的vector的dimension。因为咱们的网络有三处输入，分别是X, a, c, 所以咱们要先定义这三处输入，并且设定它们的shape，注意在设定它们的shape的时候，是不需要有batch_size的；随后咱们来到for loop中，首先提取每一个time step的input value，即上面代码中Lambda layer所做的事儿，然后因为咱们提取的是每一个time step的值，每一个time step， LSTM只会循环一次，所以咱们还是得把它reshape到（1，n_values）; 随后咱们将处理好的input value传递给LSTM_cell，并且返回hidden state a, 和memory cell c, 最后经过一个dense layer计算咱们的输出，并且将每一步的输出装进outputs这个list中。这就是构建咱们的encoding网络的整个步骤。那么既然咱们分析了上面encoding的阶段，完成了对咱们LSTM的训练过程并且得到了咱们想要的LSTM, 那么接下来咱们看一看咱们的decoding过程，即如何用训练得到的LSTM来generate（predict）咱们的sequence啦，咱们还是看下面的代码，然后慢慢分析

def sequence_inference_model(LSTM_cell, n_values = 78, n_a = 64, Ty = 100):
    """
    Uses the trained "LSTM_cell" and "densor" from model() to generate a sequence of values.
    
    Arguments:
    LSTM_cell -- the trained "LSTM_cell" from model(), Keras layer object
    densor -- the trained "densor" from model(), Keras layer object
    n_values -- integer, number of unique values
    n_a -- number of units in the LSTM_cell
    Ty -- integer, number of time steps to generate
    
    Returns:
    inference_model -- Keras model instance
    """
    
    # Define the input of your model with a shape (it is a one-to-many structure, the input shape is (1,n_values))
    x0 = keras.Input(shape=(1, n_values))
    
    # Define a0, c0, initial hidden state for the decoder LSTM
    a0 = keras.Input(shape=(n_a,), name='a0')
    c0 = keras.Input(shape=(n_a,), name='c0')
    a = a0
    c = c0
    x = x0

    # Step 1: Create an empty list of "outputs" to later store your predicted values (≈1 line)
    outputs = []
    
    # Step 2: Loop over Ty and generate a value at every time step
    for t in range(Ty):
        
        # Step 2.A: Perform one step of LSTM_cell 
        a, _, c = LSTM_cell(x, initial_state=[a, c])
        
        # Step 2.B: Apply Dense layer to the hidden state output of the LSTM_cell
        out = densor(a)

        # Step 2.C: Append the prediction "out" to "outputs". out.shape = (None, 78) 
        outputs.append(out)
        
        # Step 2.D: Select the next value according to "out", and set "x" to be the one-hot representation of the
        #           selected value, which will be passed as the input to LSTM_cell on the next step. We have provided 
        #           the line of code you need to do this. 
        x = keras.layers.Lambda(one_hot)(out)
        
    # Step 3: Create model instance with the correct "inputs" and "outputs"
    inference_model = keras.Model(inputs=[x0, a0, c0], outputs=outputs)
   
    return inference_model

inference_model = sequence_inference_model(LSTM_cell, densor, n_values = 78, n_a = 64, Ty = 50)
inference_model.summary()

x_initializer = np.zeros((1, 1, 78))
a_initializer = np.zeros((1, n_a))
c_initializer = np.zeros((1, n_a))

pred = inference_model.predict([x_initializer, a_initializer, c_initializer])

这个inference model就是根据上面的训练来的LSTM来predict的，它共用了上面训练得来的的LSTM中的参数weights 和bias，根据输入的一个词x0来预测后面来输出哪些值，具体输出多少个值也是根据用户设定的Ty来决定，当然啦，咱们还可以更加精细化的管理咱们的输出，例如如果遇到EOS，咱们直接停止输出。咱们即使有了前面的LSTM，但是因为结构的不同，咱们还是得先去构建一个新的inference model，即重新要搭建一个decoding的结构。从decoding的结构咱们可以看出来，咱们的输入还是有三个，即x0,a0,c0。这里有比encoding简单的地方就是咱们不需要再去reshape那么的输入了，咱们的输入都是标准的shape，即分别是（batch_size, Tx, n_values）, (batch_size, n_a), (batch_size, n_a)，咱们直接输入进去并且输入到Lstm和densor中就可以，不需要进行一些shape方面的配置了，其次这里有一点个encoding不一样的，就是需要将每一个time step的输出当做下个time step的输入，即上面代码中的x=tf.keras.Lambda(one_hot)(out)。因为这是一个inference model，所以咱们也不需要重新fitting啦，可以直接调用它的predict方法就可以predict啦。

总结

对于sequence generation相关的应用呢，咱们首先要在脑海中找到这个pattern，即它是有2部分组成的，一个encoding，一个decoding；然后用encoding来训练模型，用decoding来predict模型。对于输入的input layer，一定要注意并且理解他们input data的shape，一定要一致性；对于一起share的变量一定要理解，例如LSTM_cell, densor 等，他们都是构成这个LSTM模型的最基本的但愿，都是share的，并不是每一个time step都有独立的entity。如果对于以上的步骤和内容都理解的话，对于sequence generation相关的应用就都可以套用上面的模式进行实现，唯一需要改动的就是一下dimension值。

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