简介
近年来,随着以 OpenAI GPT2 模型 为代表的基于数百万网页数据训练的大型 Transformer 语言模型的兴起,开放域语言生成领域吸引了越来越多的关注。开放域中的条件语言生成效果令人印象深刻,典型的例子有: GPT2 在独角兽话题上的精彩续写,XLNet 以及 使用 CTRL 模型生成受控文本 等。促成这些进展的除了 transformer 架构的改进和大规模无监督训练数据外,更好的解码方法 也发挥了不可或缺的作用。
本文简述了不同的解码策略,同时向读者展示了如何使用流行的 transformers
库轻松实现这些解码策略!
下文中的所有功能均可用于 自回归 语言生成任务 (点击 此处 回顾)。简单复习一下, 自回归 语言生成是基于如下假设: 一个文本序列的概率分布可以分解为每个词基于其上文的条件概率的乘积。
上式中,transformers
目前已支持的自回归语言生成任务包括 GPT2
、 XLNet
、 OpenAi-GPT
、 CTRL
、 TransfoXL
、 XLM
、 Bart
、 T5
模型,并支持 PyTorch 和 TensorFlow (>= 2.0) 两种框架!
我们会介绍目前最常用的解码方法,主要有 贪心搜索 (Greedy search)、波束搜索 (Beam search)、Top-K 采样 (Top-K sampling) 以及 Top-p 采样 (Top-p sampling) 。
在此之前,我们先快速安装一下 transformers
并把模型加载进来。本文我们用 GPT2 模型在 TensorFlow 2.1 中进行演示,但 API 和使用 PyTorch 框架是一一对应的。
!pip install -q git+https://github.com/huggingface/transformers.git !pip install -q tensorflow==2.1
import tensorflow as tf from transformers import TFGPT2LMHeadModel, GPT2Tokenizer tokenizer = GPT2Tokenizer.from_pretrained("gpt2") # add the EOS token as PAD token to avoid warnings model = TFGPT2LMHeadModel.from_pretrained("gpt2",pad_token_id=tokenizer.eos_token_id)
贪心搜索
贪心搜索在每个时间步
从单词
下面,我们输入文本序列 transformers
中使用贪心搜索:
# encode context the generation is conditioned on input_ids = tokenizer.encode('I enjoy walking with my cute dog', return_tensors='tf') # generate text until the output length (which includes the context length) reaches 50 greedy_output = model.generate(input_ids, max_length=50) print("Output:\n" + 100 *'-') print(tokenizer.decode(greedy_output[0], skip_special_tokens=True))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- I enjoy walking with my cute dog, but I'm not sure if I'll ever be able to walk with my dog. I'm not sure if I'll ever be able to walk with my dog. I'm not sure if I'll
好,我们已经用 GPT2 生成了第一个短文本😊。根据上文生成的单词是合理的,但模型很快开始输出重复的文本!这在语言生成中是一个非常普遍的问题,在贪心搜索和波束搜索中似乎更是如此 - 详见 Vijayakumar 等人,2016 和 Shao 等人,2017 的论文。
贪心搜索的主要缺点是它错过了隐藏在低概率词后面的高概率词,如上图所示:
条件概率为 t=1
时条件概率值只排第二所以未被选择,因此贪心搜索会错过序列
幸好我们可以用波束搜索来缓解这个问题!
波束搜索
波束搜索通过在每个时间步保留最可能的 num_beams
个词,并从中最终选择出概率最高的序列来降低丢失潜在的高概率序列的风险。以 num_beams=2
为例:
在时间步 1,除了最有可能的假设
波束搜索一般都会找到比贪心搜索概率更高的输出序列,但仍不保证找到全局最优解。
让我们看看如何在 transformers
中使用波束搜索。我们设置 num_beams > 1
和 early_stopping=True
以便在所有波束达到 EOS 时直接结束生成。
# activate beam search and early_stopping beam_output = model.generate( input_ids, max_length=50, num_beams=5, early_stopping=True ) print("Output:\n" + 100 *'-') print(tokenizer.decode(beam_output[0], skip_special_tokens=True))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- I enjoy walking with my cute dog, but I'm not sure if I'll ever be able to walk with him again. I'm not sure if I'll ever be able to walk with him again. I'm not sure if I'll
虽然结果比贪心搜索更流畅,但输出中仍然包含重复。一个简单的补救措施是引入 n-grams (即连续 n 个词的词序列) 惩罚,该方法是由 Paulus 等人 (2017) 和 Klein 等人 (2017) 引入的。最常见的 n-grams 惩罚是确保每个 n-gram 都只出现一次,方法是如果看到当前候选词与其上文所组成的 n-gram 已经出现过了,就将该候选词的概率设置为 0。
我们可以通过设置 no_repeat_ngram_size=2
来试试,这样任意 2-gram 不会出现两次:
# set no_repeat_ngram_size to 2 beam_output = model.generate( input_ids, max_length=50, num_beams=5, no_repeat_ngram_size=2, early_stopping=True ) print("Output:\n" + 100 *'-') print(tokenizer.decode(beam_output[0], skip_special_tokens=True))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- I enjoy walking with my cute dog, but I'm not sure if I'll ever be able to walk with him again. I've been thinking about this for a while now, and I think it's time for me to take a break
不错,看起来好多了!我们看到生成的文本已经没有重复了。但是, n-gram 惩罚使用时必须谨慎,如一篇关于 纽约 这个城市的文章就不应使用 2-gram 惩罚,否则,城市名称在整个文本中将只出现一次!
波束搜索的另一个重要特性是我们能够比较概率最高的几个波束,并选择最符合我们要求的波束作为最终生成文本。
在 transformers
中,我们只需将参数 num_return_sequences
设置为需返回的概率最高的波束的数量,记得确保 num_return_sequences <= num_beams
!
# set return_num_sequences > 1 beam_outputs = model.generate( input_ids, max_length=50, num_beams=5, no_repeat_ngram_size=2, num_return_sequences=5, early_stopping=True ) # now we have 3 output sequences print("Output:\n" + 100 *'-') for i, beam_output in enumerate(beam_outputs): print("{}: {}".format(i, tokenizer.decode(beam_output, skip_special_tokens=True)))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 0: I enjoy walking with my cute dog, but I'm not sure if I'll ever be able to walk with him again. I've been thinking about this for a while now, and I think it's time for me to take a break 1: I enjoy walking with my cute dog, but I'm not sure if I'll ever be able to walk with him again. I've been thinking about this for a while now, and I think it's time for me to get back to 2: I enjoy walking with my cute dog, but I'm not sure if I'll ever be able to walk with her again. I've been thinking about this for a while now, and I think it's time for me to take a break 3: I enjoy walking with my cute dog, but I'm not sure if I'll ever be able to walk with her again. I've been thinking about this for a while now, and I think it's time for me to get back to 4: I enjoy walking with my cute dog, but I'm not sure if I'll ever be able to walk with him again. I've been thinking about this for a while now, and I think it's time for me to take a step
如我们所见,五个波束彼此之间仅有少量差别 —— 这在仅使用 5 个波束时不足为奇。
开放域文本生成的研究人员最近提出了几个理由来说明对该领域而言波束搜索可能不是最佳方案:
- 在机器翻译或摘要等任务中,因为所需生成的长度或多或少都是可预测的,所以波束搜索效果比较好 - 参见 Murray 等人 (2018) 和 Yang 等人 (2018) 的工作。但开放域文本生成情况有所不同,其输出文本长度可能会有很大差异,如对话和故事生成的输出文本长度就有很大不同。
- 我们已经看到波束搜索已被证明存在重复生成的问题。在故事生成这样的场景中,很难用 n-gram 或其他惩罚来控制,因为在“不重复”和最大可重复 n-grams之间找到一个好的折衷需要大量的微调。
- 正如 Ari Holtzman 等人 (2019) 所论证的那样,高质量的人类语言并不遵循最大概率法则。换句话说,作为人类,我们希望生成的文本能让我们感到惊喜,而可预测的文本使人感觉无聊。论文作者画了一个概率图,很好地展示了这一点,从图中可以看出人类文本带来的惊喜度比波束搜索好不少。
因此,让我们开始玩点刺激的,引入一些随机性🤪。
采样
在其最基本的形式中,采样意味着根据当前条件概率分布随机选择输出词
继续使用上文中的例子,下图可视化了使用采样生成文本的过程。
很明显,使用采样方法时文本生成本身不再是 确定性的。单词
在 transformers
中,我们设置 do_sample=True
并通过设置 top_k=0
停用 Top-K 采样 (稍后详细介绍)。在下文中,为便于复现,我们会固定 random_seed=0
,但你可以在自己的模型中随意更改 random_seed
。
# set seed to reproduce results. Feel free to change the seed though to get different results tf.random.set_seed(0) # activate sampling and deactivate top_k by setting top_k sampling to 0 sample_output = model.generate( input_ids, do_sample=True, max_length=50, top_k=0 ) print("Output:\n" + 100 *'-') print(tokenizer.decode(sample_output[0], skip_special_tokens=True))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- I enjoy walking with my cute dog. He just gave me a whole new hand sense." But it seems that the dogs have learned a lot from teasing at the local batte harness once they take on the outside. "I take
有意思!生成的文本看起来不错 - 但仔细观察会发现它不是很连贯。 3-grams new hand sense 和 local batte harness 非常奇怪,看起来不像是人写的。这就是对单词序列进行采样时的大问题: 模型通常会产生不连贯的乱码, 参见 Ari Holtzman 等人 (2019) 的论文。
缓解这一问题的一个技巧是通过降低所谓的 softmax 的“温度”使分布
将温度应用到于我们的例子中后,结果如下图所示。
让我们看看如何通过设置 temperature=0.7
来冷却生成过程:
# set seed to reproduce results. Feel free to change the seed though to get different results tf.random.set_seed(0) # use temperature to decrease the sensitivity to low probability candidates sample_output = model.generate( input_ids, do_sample=True, max_length=50, top_k=0, temperature=0.7 ) print("Output:\n" + 100 *'-') print(tokenizer.decode(sample_output[0], skip_special_tokens=True))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- I enjoy walking with my cute dog, but I don't like to be at home too much. I also find it a bit weird when I'm out shopping. I am always away from my house a lot, but I do have a few friends
好,奇怪的 n-gram 变少了,现在输出更连贯了!虽然温度可以使分布的随机性降低,但极限条件下,当“温度”设置为
Top-K 采样
Fan 等人 (2018) 的论文介绍了一种简单但非常强大的采样方案,称为 Top-K 采样。在 Top-K 采样中,概率最大的 K 个词会被选出,然后这 K 个词的概率会被重新归一化,最后就在这重新被归一化概率后的 K 个词中采样。 GPT2 采用了这种采样方案,这也是它在故事生成这样的任务上取得成功的原因之一。
我们将上文例子中的候选单词数从 3 个单词扩展到 10 个单词,以更好地说明 Top-K 采样。
设
我们以设置 top_k=50
为例看下如何在 transformers
库中使用 Top-K:
# set seed to reproduce results. Feel free to change the seed though to get different results tf.random.set_seed(0) # set top_k to 50 sample_output = model.generate( input_ids, do_sample=True, max_length=50, top_k=50 ) print("Output:\n" + 100 *'-') print(tokenizer.decode(sample_output[0], skip_special_tokens=True))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- I enjoy walking with my cute dog. It's so good to have an environment where your dog is available to share with you and we'll be taking care of you. We hope you'll find this story interesting! I am from
相当不错!该文本可以说是迄今为止生成的最 "像人" 的文本。现在还有一个问题, Top-K 采样不会动态调整从需要概率分布
在
Top-p (核) 采样
在 Top-p 中,采样不只是在最有可能的 K 个单词中进行,而是在累积概率超过概率 p 的最小单词集中进行。然后在这组词中重新分配概率质量。这样,词集的大小 (又名 集合中的词数) 可以根据下一个词的概率分布动态增加和减少。好吧,说的很啰嗦,一图胜千言。
假设
好的,是时候看看它在 transformers
里怎么用了!我们可以通过设置 0 < top_p < 1
来激活 Top-p 采样:
# set seed to reproduce results. Feel free to change the seed though to get different results tf.random.set_seed(0) # deactivate top_k sampling and sample only from 92% most likely words sample_output = model.generate( input_ids, do_sample=True, max_length=50, top_p=0.92, top_k=0 ) print("Output:\n" + 100 *'-') print(tokenizer.decode(sample_output[0], skip_special_tokens=True))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- I enjoy walking with my cute dog. He will never be the same. I watch him play. Guys, my dog needs a name. Especially if he is found with wings. What was that? I had a lot o
太好了,这看起来跟人类写的差不多了,虽然还不算完全是。
虽然从理论上讲, Top-p 似乎比 Top-K 更优雅,但这两种方法在实践中都很有效。 Top-p 也可以与 Top-K 结合使用,这样可以避免排名非常低的词,同时允许进行一些动态选择。
最后,如果想要获得多个独立采样的输出,我们可以 再次 设置参数 num_return_sequences > 1
:
# set seed to reproduce results. Feel free to change the seed though to get different results tf.random.set_seed(0) # set top_k = 50 and set top_p = 0.95 and num_return_sequences = 3 sample_outputs = model.generate( input_ids, do_sample=True, max_length=50, top_k=50, top_p=0.95, num_return_sequences=3 ) print("Output:\n" + 100 *'-') for i, sample_output in enumerate(sample_outputs): print("{}: {}".format(i, tokenizer.decode(sample_output, skip_special_tokens=True)))
Output: ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 0: I enjoy walking with my cute dog. It's so good to have the chance to walk with a dog. But I have this problem with the dog and how he's always looking at us and always trying to make me see that I can do something 1: I enjoy walking with my cute dog, she loves taking trips to different places on the planet, even in the desert! The world isn't big enough for us to travel by the bus with our beloved pup, but that's where I find my love 2: I enjoy walking with my cute dog and playing with our kids," said David J. Smith, director of the Humane Society of the US. "So as a result, I've got more work in my time," he said.
很酷,现在你拥有了所有可以在 transformers
里用模型来帮你写故事的工具了!
总结
在开放域语言生成场景中,作为最新的解码方法, top-p 和 top-K 采样于传统的 贪心 和 波束 搜索相比,似乎能产生更流畅的文本。但,最近有更多的证据表明 贪心 和 波束 搜索的明显缺陷 - 主要是生成重复的单词序列 - 是由模型 (特别是模型的训练方式) 引起的,而不是解码方法, 参见 Welleck 等人 (2019) 的论文。此外,如 Welleck 等人 (2020) 的论文所述,看起来 top-K 和 top-p 采样也会产生重复的单词序列。
在 Welleck 等人 (2019) 的论文中,作者表明,根据人类评估,在调整训练目标后,波束搜索相比 Top-p 采样能产生更流畅的文本。
开放域语言生成是一个快速发展的研究领域,而且通常情况下这里没有放之四海而皆准的方法,因此必须了解哪种方法最适合自己的特定场景。
好的方面是, 你 可以在 transfomers
中尝试所有不同的解码方法 🤗。
以上是对如何在 transformers
中使用不同的解码方法以及开放域语言生成的最新趋势的简要介绍。
非常欢迎大家在 Github 代码库 上提供反馈和问题。
如果想要体验下用模型生成故事的乐趣,可以访问我们的 web 应用 Writing with Transformers。
感谢为本文做出贡献的所有人: Alexander Rush、Julien Chaumand、Thomas Wolf、Victor Sanh、Sam Shleifer、Clément Delangue、Yacine Jernite、Oliver Åstrand 和 John de Wasseige。
附录
generate
方法还有几个正文未提及的参数,这里我们简要解释一下它们!
min_length
用于强制模型在达到min_length
之前不生成 EOS。这在摘要场景中使用得比较多,但如果用户想要更长的文本输出,也会很有用。repetition_penalty
可用于对生成重复的单词这一行为进行惩罚。它首先由 Keskar 等人 (2019) 引入,在 Welleck 等人 (2019) 的工作中,它是训练目标的一部分。它可以非常有效地防止重复,但似乎对模型和用户场景非常敏感,其中一个例子见 Github 上的 讨论。attention_mask
可用于屏蔽填充符。pad_token_id
、bos_token_id
、eos_token_id
: 如果模型默认没有这些 token,用户可以手动选择其他 token id 来表示它们。
更多信息,请查阅 generate
函数 手册。
英文原文: https://hf.co/blog/how-to-generate
原文作者: Patrick von Platen
译者: Matrix Yao (姚伟峰),英特尔深度学习工程师,工作方向为 transformer-family 模型在各模态数据上的应用及大规模模型的训练推理。
审校/排版: zhongdongy (阿东)