《NLP情感分析》（五）——CNN情感分析
4：卷积情感分析
在本节中，我们将利用卷积神经网络（CNN）进行情感分析，实现 Convolutional Neural Networks for Sentence Classification中的模型。
卷积神经网络在计算机视觉问题上表现出色，原因在于其能够从局部输入图像块中提取特征，并能将表示模块化，同时可以高效地利用数据。同样的，卷积神经网络也可以用于处理序列数据，时间可以被看作一个空间维度，就像二维图像的高度和宽度。
那么为什么要在文本上使用卷积神经网络呢？与3x3 filter可以查看图像块的方式相同，1x2 filter 可以查看一段文本中的两个连续单词，即双字符。在上一个教程中，我们研究了FastText模型，该模型通过将bi-gram显式添加到文本末尾来使用bi-gram，在这个CNN模型中，我们将使用多个不同大小的filter，这些filter将查看文本中的bi-grams（a 1x2 filter）、tri-grams（a 1x3 filter）and/or n-grams（a 1x$n$ filter）。
4.1 数据预处理
与 task3 使用FastText模型的方法不同，本节不再需要刻意地创建bi-gram将它们附加到句子末尾。
```python import torch from torchtext.legacy import data from torchtext.legacy import datasets import random import numpy as np
SEED = 1234
random.seed(SEED) np.random.seed(SEED) torch.manual_seed(SEED) torch.backends.cudnn.deterministic = True
TEXT = data.Field(tokenize = 'spacy', tokenizer_language = 'en_core_web_sm', batch_first = True) LABEL = data.LabelField(dtype = torch.float)
train_data, test_data = datasets.IMDB.splits(TEXT, LABEL)
train_data, valid_data = train_data.split(random_state = random.seed(SEED)) ```
构建vocab，加载预训练词嵌入：
```python MAX_VOCAB_SIZE = 25_000
TEXT.build_vocab(train_data, max_size = MAX_VOCAB_SIZE, vectors = "glove.6B.100d", unk_init = torch.Tensor.normal_)
LABEL.build_vocab(train_data) ```
创建迭代器：
```python BATCH_SIZE = 64
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
train_iterator, valid_iterator, test_iterator = data.BucketIterator.splits( (train_data, valid_data, test_data), batch_size = BATCH_SIZE, device = device) ```
4.2 构建模型
开始构建模型！
第一个主要问题是如何将CNN用于文本。图像一般是二维的，而文本是一维的。所以我们可以将一段文本中的每个单词沿着一个轴展开，向量中的元素沿着另一个维度展开。如考虑下面2个句子的嵌入句：
然后我们可以使用一个 [n x emb_dim] 的filter。这将完全覆盖 $n$ 个words，因为它们的宽度为emb_dim 尺寸。考虑下面的图像，我们的单词向量用绿色表示。这里我们有4个词和5维嵌入，创建了一个[4x5] "image" 张量。一次覆盖两个词（即bi-grams)）的filter 将是 [2x5] filter，以黄色显示，filter 的每个元素都有一个与之相关的 weight。此filter 的输出（以红色显示）将是一个实数，它是filter覆盖的所有元素的加权和。
然后，filter "down" 移动图像（或穿过句子）以覆盖下一个bi-gram，并计算另一个输出（weighted sum）。
最后，filter 再次向下移动，并计算此 filter 的最终输出。
一般情况下，filter 的宽度等于"image" 的宽度，我们得到的输出是一个向量，其元素数等于图像的高度（或词的长度）减去 filter 的高度加上一。在当前例子中，$4-2+1=3$。
上面的例子介绍了如何去计算一个filter的输出。我们的模型（以及几乎所有的CNN）有很多这样的 filter。其思想是，每个filter将学习不同的特征来提取。在上面的例子中，我们希望 [2 x emb_dim] filter中的每一个都会查找不同 bi-grams 的出现。
在我们的模型中，我们还有不同尺寸的filter，高度为3、4和5，每个filter有100个。我们将寻找与分析电影评论情感相关的不同3-grams, 4-grams 和 5-grams 的情况。
我们模型中的下一步是在卷积层的输出上使用pooling（具体是 max pooling）。这类似于FastText模型，不同的是在该模型中，我们计算其最大值，而非是FastText模型中每个词向量进行平均，下面的例子是从卷积层输出中获取得到向量的最大值（0.9）。
最大值是文本情感分析中“最重要”特征，对应于评论中的“最重要”n-gram。由于我们的模型有3种不同大小的100个filters，这意味着我们有300个模型认为重要的不同 n-grams。我们将它们连接成一个向量，并将它们通过线性层来预测最终情感。我们可以将这一线性层的权重视为"weighting up the evidence" 的权重，通过综合300个n-gram做出最终预测。
实施细节
1.我们借助 nn.Conv2d实现卷积层。in_channels参数是图像中进入卷积层的“通道”数。在实际图像中，通常有3个通道（红色、蓝色和绿色通道各有一个通道），但是当使用文本时，我们只有一个通道，即文本本身。out_channels是 filters 的数量，kernel_size是 filters 的大小。我们的每个“卷积核大小”都将是 [n x emb_dim] 其中 $n$ 是n-grams的大小。
2.之后，我们通过卷积层和池层传递张量，在卷积层之后使用'ReLU'激活函数。池化层的另一个很好的特性是它们可以处理不同长度的句子。而卷积层的输出大小取决于输入的大小，不同的批次包含不同长度的句子。如果没有最大池层，线性层的输入将取决于输入语句的长度，为了避免这种情况，我们将所有句子修剪/填充到相同的长度，但是线性层来说，线性层的输入一直都是filter的总数。
注：如果句子的长度小于实验设置的最大filter，那么必须将句子填充到最大filter的长度。在IMDb数据中不会存在这种情况，所以我们不必担心。
3.最后，我们对合并之后的filter输出执行dropout操作，然后将它们通过线性层进行预测。
```python import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F
class CNN(nn.Module): def init(self, vocab_size, embedding_dim, n_filters, filter_sizes, output_dim, dropout, pad_idx):
super().__init__()
self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embedding_dim, padding_idx = pad_idx)
self.conv_0 = nn.Conv2d(in_channels = 1,
out_channels = n_filters,
kernel_size = (filter_sizes[0], embedding_dim))
self.conv_1 = nn.Conv2d(in_channels = 1,
out_channels = n_filters,
kernel_size = (filter_sizes[1], embedding_dim))
self.conv_2 = nn.Conv2d(in_channels = 1,
out_channels = n_filters,
kernel_size = (filter_sizes[2], embedding_dim))
self.fc = nn.Linear(len(filter_sizes) * n_filters, output_dim)
self.dropout = nn.Dropout(dropout)
def forward(self, text):
#text = [batch size, sent len]
embedded = self.embedding(text)
#embedded = [batch size, sent len, emb dim]
embedded = embedded.unsqueeze(1)
#embedded = [batch size, 1, sent len, emb dim]
conved_0 = F.relu(self.conv_0(embedded).squeeze(3))
conved_1 = F.relu(self.conv_1(embedded).squeeze(3))
conved_2 = F.relu(self.conv_2(embedded).squeeze(3))
#conved_n = [batch size, n_filters, sent len - filter_sizes[n] + 1]
pooled_0 = F.max_pool1d(conved_0, conved_0.shape[2]).squeeze(2)
pooled_1 = F.max_pool1d(conved_1, conved_1.shape[2]).squeeze(2)
pooled_2 = F.max_pool1d(conved_2, conved_2.shape[2]).squeeze(2)
#pooled_n = [batch size, n_filters]
cat = self.dropout(torch.cat((pooled_0, pooled_1, pooled_2), dim = 1))
#cat = [batch size, n_filters * len(filter_sizes)]
return self.fc(cat)
```
目前，CNN 模型使用了3个不同大小的filters，但我们实际上可以改进我们模型的代码，使其更通用，并且可以使用任意数量的filters。
```python class CNN(nn.Module): def init(self, vocab_size, embedding_dim, n_filters, filter_sizes, output_dim, dropout, pad_idx):
super().__init__()
self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embedding_dim, padding_idx = pad_idx)
self.convs = nn.ModuleList([
nn.Conv2d(in_channels = 1,
out_channels = n_filters,
kernel_size = (fs, embedding_dim))
for fs in filter_sizes
])
self.fc = nn.Linear(len(filter_sizes) * n_filters, output_dim)
self.dropout = nn.Dropout(dropout)
def forward(self, text):
#text = [batch size, sent len]
embedded = self.embedding(text)
#embedded = [batch size, sent len, emb dim]
embedded = embedded.unsqueeze(1)
#embedded = [batch size, 1, sent len, emb dim]
conved = [F.relu(conv(embedded)).squeeze(3) for conv in self.convs]
#conved_n = [batch size, n_filters, sent len - filter_sizes[n] + 1]
pooled = [F.max_pool1d(conv, conv.shape[2]).squeeze(2) for conv in conved]
#pooled_n = [batch size, n_filters]
cat = self.dropout(torch.cat(pooled, dim = 1))
#cat = [batch size, n_filters * len(filter_sizes)]
return self.fc(cat)
```
还可以使用一维卷积层实现上述模型，其中嵌入维度是 filter 的深度，句子中的token数是宽度。
在本task中使用二维卷积模型进行测试，其中的一维模型的实现大家感兴趣的可以自行试一试。
```python class CNN1d(nn.Module): def init(self, vocab_size, embedding_dim, n_filters, filter_sizes, output_dim, dropout, pad_idx):
super().__init__()
self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embedding_dim, padding_idx = pad_idx)
self.convs = nn.ModuleList([
nn.Conv1d(in_channels = embedding_dim,
out_channels = n_filters,
kernel_size = fs)
for fs in filter_sizes
])
self.fc = nn.Linear(len(filter_sizes) * n_filters, output_dim)
self.dropout = nn.Dropout(dropout)
def forward(self, text):
#text = [batch size, sent len]
embedded = self.embedding(text)
#embedded = [batch size, sent len, emb dim]
embedded = embedded.permute(0, 2, 1)
#embedded = [batch size, emb dim, sent len]
conved = [F.relu(conv(embedded)) for conv in self.convs]
#conved_n = [batch size, n_filters, sent len - filter_sizes[n] + 1]
pooled = [F.max_pool1d(conv, conv.shape[2]).squeeze(2) for conv in conved]
#pooled_n = [batch size, n_filters]
cat = self.dropout(torch.cat(pooled, dim = 1))
#cat = [batch size, n_filters * len(filter_sizes)]
return self.fc(cat)
```
创建了CNN 类的一个实例。
如果想运行一维卷积模型，我们可以将CNN改为CNN1d，注意两个模型给出的结果几乎相同。
```python INPUT_DIM = len(TEXT.vocab) EMBEDDING_DIM = 100 N_FILTERS = 100 FILTER_SIZES = [3,4,5] OUTPUT_DIM = 1 DROPOUT = 0.5 PAD_IDX = TEXT.vocab.stoi[TEXT.pad_token]
model = CNN(INPUT_DIM, EMBEDDING_DIM, N_FILTERS, FILTER_SIZES, OUTPUT_DIM, DROPOUT, PAD_IDX) ```
检查我们模型中的参数数量，我们可以看到它与FastText模型大致相同。
“CNN”和“CNN1d”模型的参数数量完全相同。
```python def count_parameters(model): return sum(p.numel() for p in model.parameters() if p.requires_grad)
print(f'The model has {count_parameters(model):,} trainable parameters') ```
The model has 2,620,801 trainable parameters
接下来，加载预训练词嵌入
```python pretrained_embeddings = TEXT.vocab.vectors
model.embedding.weight.data.copy_(pretrained_embeddings) ```
tensor([[-0.1117, -0.4966, 0.1631, ..., 1.2647, -0.2753, -0.1325],
[-0.8555, -0.7208, 1.3755, ..., 0.0825, -1.1314, 0.3997],
[-0.0382, -0.2449, 0.7281, ..., -0.1459, 0.8278, 0.2706],
...,
[ 0.6783, 0.0488, 0.5860, ..., 0.2680, -0.0086, 0.5758],
[-0.6208, -0.0480, -0.1046, ..., 0.3718, 0.1225, 0.1061],
[-0.6553, -0.6292, 0.9967, ..., 0.2278, -0.1975, 0.0857]])
然后，将未知标记和填充标记的初始权重归零。
```python UNK_IDX = TEXT.vocab.stoi[TEXT.unk_token]
model.embedding.weight.data[UNK_IDX] = torch.zeros(EMBEDDING_DIM) model.embedding.weight.data[PAD_IDX] = torch.zeros(EMBEDDING_DIM) ```
4.3 训练模型
训练和前面task一样，我们初始化优化器、损失函数（标准），并将模型和标准放置在GPU上。
```python import torch.optim as optim
optimizer = optim.Adam(model.parameters())
criterion = nn.BCEWithLogitsLoss()
model = model.to(device) criterion = criterion.to(device) ```
实现了计算精度的函数：
```python def binary_accuracy(preds, y): """ Returns accuracy per batch, i.e. if you get 8/10 right, this returns 0.8, NOT 8 """
#round predictions to the closest integer
rounded_preds = torch.round(torch.sigmoid(preds))
correct = (rounded_preds == y).float() #convert into float for division
acc = correct.sum() / len(correct)
return acc
```
定义了一个函数来训练我们的模型：
注意：由于再次使用dropout，我们必须记住使用 model.train()以确保在训练时能够使用 dropout 。
```python def train(model, iterator, optimizer, criterion):
epoch_loss = 0
epoch_acc = 0
model.train()
for batch in iterator:
optimizer.zero_grad()
predictions = model(batch.text).squeeze(1)
loss = criterion(predictions, batch.label)
acc = binary_accuracy(predictions, batch.label)
loss.backward()
optimizer.step()
epoch_loss += loss.item()
epoch_acc += acc.item()
return epoch_loss / len(iterator), epoch_acc / len(iterator)
```
定义了一个函数来测试我们的模型：
注意：同样，由于使用的是dropout，我们必须记住使用model.eval（）来确保在评估时能够关闭 dropout。
```python def evaluate(model, iterator, criterion):
epoch_loss = 0
epoch_acc = 0
model.eval()
with torch.no_grad():
for batch in iterator:
predictions = model(batch.text).squeeze(1)
loss = criterion(predictions, batch.label)
acc = binary_accuracy(predictions, batch.label)
epoch_loss += loss.item()
epoch_acc += acc.item()
return epoch_loss / len(iterator), epoch_acc / len(iterator)
```
通过函数得到一个epoch需要多长时间：
```python import time
def epoch_time(start_time, end_time): elapsed_time = end_time - start_time elapsed_mins = int(elapsed_time / 60) elapsed_secs = int(elapsed_time - (elapsed_mins * 60)) return elapsed_mins, elapsed_secs ```
最后，训练我们的模型：
```python N_EPOCHS = 5
best_valid_loss = float('inf')
for epoch in range(N_EPOCHS):
start_time = time.time()
train_loss, train_acc = train(model, train_iterator, optimizer, criterion)
valid_loss, valid_acc = evaluate(model, valid_iterator, criterion)
end_time = time.time()
epoch_mins, epoch_secs = epoch_time(start_time, end_time)
if valid_loss < best_valid_loss:
best_valid_loss = valid_loss
torch.save(model.state_dict(), 'tut4-model.pt')
print(f'Epoch: {epoch+1:02} | Epoch Time: {epoch_mins}m {epoch_secs}s')
print(f'\tTrain Loss: {train_loss:.3f} | Train Acc: {train_acc*100:.2f}%')
print(f'\t Val. Loss: {valid_loss:.3f} | Val. Acc: {valid_acc*100:.2f}%')
```
我们得到的测试结果与前2个模型结果差不多！
```python model.load_state_dict(torch.load('tut4-model.pt'))
test_loss, test_acc = evaluate(model, test_iterator, criterion)
print(f'Test Loss: {test_loss:.3f} | Test Acc: {test_acc*100:.2f}%') ```
Test Loss: 0.343 | Test Acc: 85.31%
4.4 模型验证
```python import spacy nlp = spacy.load('en_core_web_sm')
def predict_sentiment(model, sentence, min_len = 5):
model.eval()
tokenized = [tok.text for tok in nlp.tokenizer(sentence)]
if len(tokenized) < min_len:
tokenized += ['
负面评论的例子：
python
predict_sentiment(model, "This film is terrible")
0.09913548082113266
正面评论的例子：
python
predict_sentiment(model, "This film is great")
0.9769725799560547
小结
在下一节中，我们将学习多类型情感分析。