基于tensorflow的cnn文本分类

cnn在计算机视觉领域取得了很好的结果，同时它可以应用在文本分类上面，此文主要介绍如何使用tensorflow实现此任务。

cnn实现文本分类的原理

下图展示了如何使用cnn进行句子分类。输入是一个句子，为了使其可以进行卷积，首先需要将其转化为向量表示，通常使用word2vec实现。d=5表示每个词转化为5维的向量，矩阵的形状是[sentence_length × 5]，即[7 × 5]。6个filter（卷积核），与图像中使用的卷积核不同的是，nlp使用的卷积核的宽与句子矩阵的宽相同，只是长度不同。这里有（2，3，4）三种size，每种size有两个filter，一共有6个filter。然后开始卷积，从图中可以看出，stride是1，因为对于高是4的filter，最后生成4维的向量，（7-4）/1+1=4。对于高是3的filter，最后生成5维的向量，（7-3）/1+1=5。卷积之后，我们得到句子的特征，使用activation function和1-max-pooling得到最后的值，每个filter最后得到两个特征。将所有特征合并后，使用softmax进行分类。图中没有用到chanel,下文的实验将会使用两个通道，static和non-static，有相关的具体解释。

本文使用的模型

主要包括五层，第一层是embedding layer,第二层是convolutional layer,第三层是max-pooling layer,第四层是fully connected layer，最后一层是softmax layer.接下来依次介绍相关代码实现。

Input placeholder

# Placeholders for input, output and dropout
self.input_x = tf.placeholder(tf.int32, [None, sequence_length], name="input_x")
self.input_y = tf.placeholder(tf.float32, [None, num_classes], name="input_y")
self.dropout_keep_prob = tf.placeholder(tf.float32, name="dropout_keep_prob")

tf.placeholder 创建一个占位符变量，在训练或者测试的时候，需要将占位符输入到网络中进行计算，其中的第二个参数是输入张量的形状。None 意味着它可以是任何维度的长度，在我们的实验中它代表批处理的大小，None使得网络可以处理任意长度的batches。
失活率同样也是输入的一部分，在训练的时候使用dropout ，测试的时候不使用dropout 。

EMBEDDING LAYER

这一层将单词索引映射到低维的向量表示，它本质上是一个查找表，我们从数据中通过学习得到。

with tf.device('/cpu:0'), tf.name_scope("embedding"):
    W = tf.Variable(tf.random_uniform([vocab_size, embedding_size], -1.0, 1.0), name="W")
    self.embedded_chars = tf.nn.embedding_lookup(W, self.input_x)
    self.embedded_chars_expanded = tf.expand_dims(self.embedded_chars, -1)

其中，W 是 在训练时得到的embedding matrix.，用随机均匀分布进行初始化。tf.nn.embedding_lookup 实现embedding操作，得到 一个3-dimensional 的张量，形状是 [None, sequence_length, embedding_size]. sequence_length 是数据集中最长句子的长度，其他句子都通过添加“PAD”补充到这个长度。embedding_size 是词向量的大小。

TensorFlow的卷积函数-conv2d 需要四个参数， 分别是batch, width, height 以及channel。 embedding之后不包括 channel, 所以我们人为地添加上它，并设置为1。现在就是[None, sequence_length, embedding_size, 1]

CONVOLUTION AND MAX-POOLING LAYERS

由图中可知， 我们有不同size的filters。因为每次卷积都会产生不同形状的张量，所以我们要遍历每个filter，然后将结果合并成一个大的特征向量。

pooled_outputs = []
for i, filter_size in enumerate(filter_sizes):
    with tf.name_scope("conv-maxpool-%s" % filter_size):
        # Convolution Layer
        filter_shape = [filter_size, embedding_size, 1, num_filters]
        W = tf.Variable(tf.truncated_normal(filter_shape, stddev=0.1), name="W")
        b = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_filters]), name="b")
        conv = tf.nn.conv2d(
            self.embedded_chars_expanded,
            W,
            strides=[1, 1, 1, 1],
            padding="VALID",
            name="conv")
        # Apply nonlinearity
        h = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv, b), name="relu")
        # Max-pooling over the outputs
        pooled = tf.nn.max_pool(
            h,
            ksize=[1, sequence_length - filter_size + 1, 1, 1],
            strides=[1, 1, 1, 1],
            padding='VALID',
            name="pool")
        pooled_outputs.append(pooled)
 
# Combine all the pooled features
num_filters_total = num_filters * len(filter_sizes)
self.h_pool = tf.concat(3, pooled_outputs)
self.h_pool_flat = tf.reshape(self.h_pool, [-1, num_filters_total])

这里W 是filter 矩阵，h 是对卷积结果进行非线性转换之后的结果。每个 filter都从整个embedding划过,不同之处在于覆盖多少单词。 “VALID” padding意味着没有对句子的边缘进行padding,也就是用了narrow convolution，输出的形状是 [1, sequence_length - filter_size + 1, 1, 1]。narrow convolution与 wide convolution的区别是是否对边缘进行填充。例如，对一个有7个词的句子来说， filter size是5，使用narrow convolution，输出的大小是（7-5）+1=3；使用wide convolution，输出的大小是（7+2*4-5）+1=11.

对输出进行max-pooling后得到形状是 [batch_size, 1, 1, num_filters] 的张量，本质上是一个特征向量，最后一个维度是特征代表数量。把每一个max-pooling之后的张量合并起来之后得到一个长向量 [batch_size, num_filters_total]. in tf.reshape 中的 -1表示T将向量展平。

DROPOUT LAYER

Dropout也许是cnn中最流行的正则化方法。dropout的想法很简单，dropout layer随机地选择一些神经元，使其失活。这样可以阻止co-adapting,迫使它们每一个都学习到有用的特征。失活的神经单元个数由dropout_keep_prob 决定。在训练的时候设为 0.5 ,测试的时候设为 1 (disable dropout) .

# Add dropout
with tf.name_scope("dropout"):
    self.h_drop = tf.nn.dropout(self.h_pool_flat, self.dropout_keep_prob)

SCORES AND PREDICTIONS

利用特征向量，我们可以用矩阵相乘计算两类的得分，也可以用 softmax函数计算两类的概率值。

with tf.name_scope("output"):
    W = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_filters_total, num_classes], stddev=0.1), name="W")
    b = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_classes]), name="b")
    self.scores = tf.nn.xw_plus_b(self.h_drop, W, b, name="scores")
    self.predictions = tf.argmax(self.scores, 1, name="predictions")

LOSS AND ACCURACY

可以用得分定义损失值。损失计算的是网络的误差，我们的目标是将其最小化，分类问题标准的损失函数是交叉熵损失。

# Calculate mean cross-entropy loss
with tf.name_scope("loss"):
    losses = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(self.scores, self.input_y)
    self.loss = tf.reduce_mean(losses)

计算正确率

# Calculate Accuracy
with tf.name_scope("accuracy"):
    correct_predictions = tf.equal(self.predictions, tf.argmax(self.input_y, 1))
    self.accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_predictions, "float"), name="accuracy")

MINIMIZING THE LOSS

利用TensorFlow 内置的optimizers，例如 Adam optimizer，优化网络损失。

global_step = tf.Variable(0, name="global_step", trainable=False)
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(1e-4)
grads_and_vars = optimizer.compute_gradients(cnn.loss)
train_op = optimizer.apply_gradients(grads_and_vars, global_step=global_step)

train_op 是一个新建的操作，我们可以在参数上进行梯度更新。每执行一次 train_op 就是一次训练步骤。 TensorFlow 可以自动地计算才那些变量是“可训练的”然后计算他们的梯度。通过global_step 这个变量可以计算训练的步数，每训练一次自动加一。

CHECKPOINTING

TensorFlow 中可以用checkpointing 保存模型的参数。checkpointing中的参数也可以用来继续训练。

# Checkpointing
checkpoint_dir = os.path.abspath(os.path.join(out_dir, "checkpoints"))
checkpoint_prefix = os.path.join(checkpoint_dir, "model")
# Tensorflow assumes this directory already exists so we need to create it
if not os.path.exists(checkpoint_dir):
    os.makedirs(checkpoint_dir)
saver = tf.train.Saver(tf.all_variables())

DEFINING A SINGLE TRAINING STEP

用一个batch的数据进行一次训练。

def train_step(x_batch, y_batch):
    """
 A single training step
 """
    feed_dict = {
      cnn.input_x: x_batch,
      cnn.input_y: y_batch,
      cnn.dropout_keep_prob: FLAGS.dropout_keep_prob
    }
    _, step, summaries, loss, accuracy = sess.run(
        [train_op, global_step, train_summary_op, cnn.loss, cnn.accuracy],
        feed_dict)
    time_str = datetime.datetime.now().isoformat()
    print("{}: step {}, loss {:g}, acc {:g}".format(time_str, step, loss, accuracy))
    train_summary_writer.add_summary(summaries, step)

train_op 什么也不返回，只是更新网络中的参数。最终，打印出当前训练的损失值与正确率。如果batch的size很小的话，这两者在不同的batch中差别很大。因为使用了dropout，训练的metrics可能要比测试的metrics糟糕。

同样的函数也可以用在测试时。

def dev_step(x_batch, y_batch, writer=None):
    """
 Evaluates model on a dev set
 """
    feed_dict = {
      cnn.input_x: x_batch,
      cnn.input_y: y_batch,
      cnn.dropout_keep_prob: 1.0
    }
    step, summaries, loss, accuracy = sess.run(
        [global_step, dev_summary_op, cnn.loss, cnn.accuracy],
        feed_dict)
    time_str = datetime.datetime.now().isoformat()
    print("{}: step {}, loss {:g}, acc {:g}".format(time_str, step, loss, accuracy))
    if writer:
        writer.add_summary(summaries, step)

TRAINING LOOP

通过迭代数据进行训练。

# Generate batches
batches = data_helpers.batch_iter(
    zip(x_train, y_train), FLAGS.batch_size, FLAGS.num_epochs)
# Training loop. For each batch...
for batch in batches:
    x_batch, y_batch = zip(*batch)
    train_step(x_batch, y_batch)
    current_step = tf.train.global_step(sess, global_step)
    if current_step % FLAGS.evaluate_every == 0:
        print("\nEvaluation:")
        dev_step(x_dev, y_dev, writer=dev_summary_writer)
        print("")
    if current_step % FLAGS.checkpoint_every == 0:
        path = saver.save(sess, checkpoint_prefix, global_step=current_step)
        print("Saved model checkpoint to {}\n".format(path))

VISUALIZING RESULTS IN TENSORBOARD

从上图中我们可以观察到:

• 我们的训练 metrics不平滑，因为用的batch sizes很小。如果用大的batches (或者在整个测试集上进行评估)，会得到平滑的线。
• 测试集的 accuracy明显比训练集的低，说明网络过拟合了，我们应该用更大的数据集，更强的正则化，更少的模型参数。
• 训练集上的 loss 和 accuracy比测试集低的原因是用了dropout.