注意力机制Python代码详解

Ⅰ 注意力机制详解

Attention机制在近几年来在图像，自然语言处理等领域中都取得了重要的突破，被证明有益于提高模型的性能。Attention机制本身也是符合人脑和人眼的感知机制，这里我们主要以计算机视觉领域为例，讲述Attention机制的原理，应用以及模型的发展。

所谓Attention机制，便是聚焦于局部信息的机制，比如图像中的某一个图像区域。随着任务的变化，注意力区域往往会发生变化。

面对上面这样的一张图，如果你只是从整体来看，只看到了很多人头，但是你拉近一个一个仔细看就了不得了，都是天才科学家。

图中除了人脸之外的信息其实都是无用的，也做不了什么任务， Attention机制便是要找到这些最有用的信息 ，可以想见最简单的场景就是从照片中检测人脸了。

和注意力机制相伴而生的一个任务便是显着目标检测，即salient object detection。它的输入是一张图，输出是一张概率图，概率越大的地方，代表是图像中重要目标的概率越大，即人眼关注的重点，一个典型的显着图如下：

右图就是左图的显着图，在头部位置概率最大，另外腿部，尾巴也有较大概率，这就是图中真正有用的信息。

显着目标检测需要一个数据集，而这样的数据集的收集便是通过追踪多个实验者的眼球在一定时间内的注意力方向进行平均得到，典型的步骤如下：

于是就能得到下面这样的图，第二行是眼球追踪结果，第三行就是显着目标概率图。

上面讲述的都是空间上的注意力机制，即关注的是不同空间位置，而在CNN结构中，还有不同的特征通道，因此不同特征通道也有类似的原理，下面一起讲述。

注意力机制的本质就是定位到感兴趣的信息，抑制无用信息，结果通常都是以概率图或者概率特征向量的形式展示，从原理上来说，主要分为 空间注意力模型，通道注意力模型，空间和通道混合注意力模型 三种， 这里不区分soft和hard attention 。

不是图像中所有的区域对任务的贡献都是同样重要的，只有任务相关的区域才是需要关心的，比如分类任务的主体，空间注意力模型就是寻找网络中最重要的部位进行处理。

我们在这里给大家介绍两个具有代表性的模型，第一个就是Google DeepMind提出的STN网络(Spatial Transformer Network[1])。它通过学习输入的形变，从而完成适合任务的预处理操作，是一种基于空间的Attention模型，网络结构如下：

这里的Localization Net用于生成仿射变换系数，输入是C×H×W维的图像，输出是一个空间变换系数，它的大小根据要学习的变换类型而定，如果是仿射变换，则是一个6维向量。

这样的一个网络要完成的效果如下图：

即定位到目标的位置，然后进行旋转等操作，使得输入样本更加容易学习。这是一种一步调整的解决方案，当然还有很多迭代调整的方案，感兴趣可以去有三知识星球星球中阅读。

相比于Spatial Transformer Networks 一步完成目标的定位和仿射变换调整，Dynamic Capacity Networks[2]则采用了两个子网络，分别是低性能的子网络(coarse model)和高性能的子网络(fine model)。低性能的子网络(coarse model)用于对全图进行处理，定位感兴趣区域，如下图中的操作fc。高性能的子网络(fine model)则对感兴趣区域进行精细化处理，如下图的操作ff。两者共同使用，可以获得更低的计算代价和更高的精度。

由于在大部分情况下我们感兴趣的区域只是图像中的一小部分，因此空间注意力的本质就是定位目标并进行一些变换或者获取权重。

对于输入2维图像的CNN来说，一个维度是图像的尺度空间，即长宽，另一个维度就是通道，因此基于通道的Attention也是很常用的机制。

SENet(Sequeeze and Excitation Net)是2017届ImageNet分类比赛的冠军网络，本质上是一个基于通道的Attention模型，它通过建模各个特征通道的重要程度，然后针对不同的任务增强或者抑制不同的通道，原理图如下。

在正常的卷积操作后分出了一个旁路分支，首先进行Squeeze操作(即图中Fsq(·))，它将空间维度进行特征压缩，即每个二维的特征图变成一个实数，相当于具有全局感受野的池化操作，特征通道数不变。

然后是Excitation操作(即图中的Fex(·))，它通过参数w为每个特征通道生成权重，w被学习用来显式地建模特征通道间的相关性。在文章中，使用了一个2层bottleneck结构(先降维再升维)的全连接层+Sigmoid函数来实现。

得到了每一个特征通道的权重之后，就将该权重应用于原来的每个特征通道，基于特定的任务，就可以学习到不同通道的重要性。

将其机制应用于若干基准模型，在增加少量计算量的情况下，获得了更明显的性能提升。作为一种通用的设计思想，它可以被用于任何现有网络，具有较强的实践意义。而后SKNet等方法将这样的通道加权的思想和Inception中的多分支网络结构进行结合，也实现了性能的提升。

通道注意力机制的本质，在于建模了各个特征之间的重要性，对于不同的任务可以根据输入进行特征分配，简单而有效。

前述的Dynamic Capacity Network是从空间维度进行Attention，SENet是从通道维度进行Attention，自然也可以同时使用空间Attention和通道Attention机制。

CBAM(Convolutional Block Attention Mole)是其中的代表性网络，结构如下：

通道方向的Attention建模的是特征的重要性，结构如下：

空间方向的Attention建模的是空间位置的重要性，结构如下：

首先将通道本身进行降维，分别获取最大池化和均值池化结果，然后拼接成一个特征图，再使用一个卷积层进行学习。

这两种机制，分别学习了通道的重要性和空间的重要性，还可以很容易地嵌入到任何已知的框架中。

除此之外，还有很多的注意力机制相关的研究，比如 残差注意力机制，多尺度注意力机制，递归注意力机制 等。

从原理上来说，注意力机制在所有的计算机视觉任务中都能提升模型性能，但是有两类场景尤其受益。

我们知道细粒度分类任务中真正的难题在于如何定位到真正对任务有用的局部区域，如上示意图中的鸟的头部。Attention机制恰巧原理上非常合适，使用了注意力机制，对模型的提升效果很明显。

我们又回到了开头，没错，Attention的本质就是重要/显着区域定位，所以在目标检测领域是非常有用的。

上图展示了几个显着目标检测的结果，可以看出对于有显着目标的图，概率图非常聚焦于目标主体，在网络中添加注意力机制模块，可以进一步提升这一类任务的模型。

Ⅱ 为什么说Transformer的注意力机制是相对廉价的注意力机制相对更对于RNN系列及CNN系列算法有何优势

QA形式对自然语言处理中注意力机制（Attention）进行总结，并对Transformer进行深入解析。

二、Transformer（Attention Is All You Need）详解
1、Transformer的整体架构是怎样的？由哪些部分组成？
2、Transformer Encoder 与 Transformer Decoder 有哪些不同？
3、Encoder-Decoder attention 与self-attention mechanism有哪些不同？
4、multi-head self-attention mechanism具体的计算过程是怎样的？
5、Transformer在GPT和Bert等词向量预训练模型中具体是怎么应用的？有什么变化？

一、Attention机制剖析

1、为什么要引入Attention机制？

根据通用近似定理，前馈网络和循环网络都有很强的能力。但为什么还要引入注意力机制呢？

• 计算能力的限制：当要记住很多“信息“，模型就要变得更复杂，然而目前计算能力依然是限制神经网络发展的瓶颈。

• 优化算法的限制：虽然局部连接、权重共享以及pooling等优化操作可以让神经网络变得简单一些，有效缓解模型复杂度和表达能力之间的矛盾；但是，如循环神经网络中的长距离以来问题，信息“记忆”能力并不高。

可以借助人脑处理信息过载的方式，例如Attention机制可以提高神经网络处理信息的能力。

2、Attention机制有哪些？（怎么分类？）

当用神经网络来处理大量的输入信息时，也可以借鉴人脑的注意力机制，只 选择一些关键的信息输入进行处理，来提高神经网络的效率。按照认知神经学中的注意力，可以总体上分为两类：

• 聚焦式（focus）注意力：自上而下的有意识的注意力，主动注意——是指有预定目的、依赖任务的、主动有意识地聚焦于某一对象的注意力；

• 显着性（saliency-based）注意力：自下而上的有意识的注意力，被动注意——基于显着性的注意力是由外界刺激驱动的注意，不需要主动干预，也和任务无关；可以将max-pooling和门控（gating）机制来近似地看作是自下而上的基于显着性的注意力机制。

在人工神经网络中，注意力机制一般就特指聚焦式注意力。

3、Attention机制的计算流程是怎样的？



• Attention机制的实质：寻址（addressing）

Attention机制的实质其实就是一个寻址（addressing）的过程，如上图所示：给定一个和任务相关的查询Query向量q，通过计算与Key的注意力分布并附加在Value上，从而计算Attention Value，这个过程实际上是Attention机制缓解神经网络模型复杂度的体现：不需要将所有的N个输入信息都输入到神经网络进行计算，只需要从X中选择一些和任务相关的信息输入给神经网络。

• 注意力机制可以分为三步：一是信息输入；二是计算注意力分布α；三是根据注意力分布α 来计算输入信息的加权平均。

step1-信息输入：用X= [x1, · · · , xN ]表示N 个输入信息；

step2-注意力分布计算：令Key=Value=X，则可以给出注意力分布

我们将称之为注意力分布（概率分布），为注意力打分机制，有几种打分机制：




step3-信息加权平均：注意力分布可以解释为在上下文查询q时，第i个信息受关注的程度，采用一种“软性”的信息选择机制对输入信息X进行编码为：

这种编码方式为软性注意力机制（soft Attention），软性注意力机制有两种：普通模式（Key=Value=X）和键值对模式（Key！=Value）。



• 软性注意力机制（soft Attention）

4、Attention机制的变种有哪些？

与普通的Attention机制（上图左）相比，Attention机制有哪些变种呢？

• 变种1-硬性注意力：之前提到的注意力是软性注意力，其选择的信息是所有输入信息在注意力 分布下的期望。还有一种注意力是只关注到某一个位置上的信息，叫做硬性注意力（hard attention）。硬性注意力有两种实现方式：（1）一种是选取最高概率的输入信息；（2）另一种硬性注意力可以通过在注意力分布式上随机采样的方式实现。硬性注意力模型的缺点：

• 硬性注意力的一个缺点是基于最大采样或随机采样的方式来选择信息。因此最终的损失函数与注意力分布之间的函数关系不可导，因此无法使用在反向传播算法进行训练。为了使用反向传播算法，一般使用软性注意力来代替硬性注意力。硬性注意力需要通过强化学习来进行训练。——《神经网络与深度学习》

• 变种2-键值对注意力：即上图右边的键值对模式，此时Key！=Value，注意力函数变为：




• 变种3-多头注意力：多头注意力（multi-head attention）是利用多个查询Q = [q1, · · · , qM]，来平行地计算从输入信息中选取多个信息。每个注意力关注输入信息的不同部分，然后再进行拼接：




5、一种强大的Attention机制：为什么自注意力模型（self-Attention model）在长距离序列中如此强大？

（1）卷积或循环神经网络难道不能处理长距离序列吗？

当使用神经网络来处理一个变长的向量序列时，我们通常可以使用卷积网络或循环网络进行编码来得到一个相同长度的输出向量序列，如图所示：



• 基于卷积网络和循环网络的变长序列编码

从上图可以看出，无论卷积还是循环神经网络其实都是对变长序列的一种“局部编码”：卷积神经网络显然是基于N-gram的局部编码；而对于循环神经网络，由于梯度消失等问题也只能建立短距离依赖。

（2）要解决这种短距离依赖的“局部编码”问题，从而对输入序列建立长距离依赖关系，有哪些办法呢？

• 如果要建立输入序列之间的长距离依赖关系，可以使用以下两种方法：一 种方法是增加网络的层数，通过一个深层网络来获取远距离的信息交互，另一种方法是使用全连接网络。 ——《神经网络与深度学习》
• 全连接模型和自注意力模型：实线表示为可学习的权重，虚线表示动态生成的权重。

由上图可以看出，全连接网络虽然是一种非常直接的建模远距离依赖的模型， 但是无法处理变长的输入序列。不同的输入长度，其连接权重的大小也是不同的。

这时我们就可以利用注意力机制来“动态”地生成不同连接的权重，这就是自注意力模型（self-attention model）。由于自注意力模型的权重是动态生成的，因此可以处理变长的信息序列。

总体来说，为什么自注意力模型（self-Attention model）如此强大：利用注意力机制来“动态”地生成不同连接的权重，从而处理变长的信息序列。

（3）自注意力模型（self-Attention model）具体的计算流程是怎样的呢?

同样，给出信息输入：用X = [x1, · · · , xN ]表示N 个输入信息；通过线性变换得到为查询向量序列，键向量序列和值向量序列：




上面的公式可以看出，self-Attention中的Q是对自身（self）输入的变换，而在传统的Attention中，Q来自于外部。



• self-Attention计算过程剖解（来自《细讲 | Attention Is All You Need 》）

注意力计算公式为：




自注意力模型（self-Attention model）中，通常使用缩放点积来作为注意力打分函数，输出向量序列可以写为：




二、Transformer（Attention Is All You Need）详解

从Transformer这篇论文的题目可以看出，Transformer的核心就是Attention，这也就是为什么本文会在剖析玩Attention机制之后会引出Transformer，如果对上面的Attention机制特别是自注意力模型（self-Attention model）理解后，Transformer就很容易理解了。

1、Transformer的整体架构是怎样的？由哪些部分组成？



• Transformer模型架构

Transformer其实这就是一个Seq2Seq模型，左边一个encoder把输入读进去，右边一个decoder得到输出：



• Seq2Seq模型

Transformer=Transformer Encoder+Transformer Decoder

（1）Transformer Encoder（N=6层，每层包括2个sub-layers）：



• Transformer Encoder

• sub-layer-1：multi-head self-attention mechanism，用来进行self-attention。

• sub-layer-2：Position-wise Feed-forward Networks，简单的全连接网络，对每个position的向量分别进行相同的操作，包括两个线性变换和一个ReLU激活输出（输入输出层的维度都为512，中间层为2048）：



每个sub-layer都使用了残差网络：

（2）Transformer Decoder（N=6层，每层包括3个sub-layers）：



• Transformer Decoder

• sub-layer-1：Masked multi-head self-attention mechanism，用来进行self-attention，与Encoder不同：由于是序列生成过程，所以在时刻 i 的时候，大于 i 的时刻都没有结果，只有小于 i 的时刻有结果，因此需要做Mask。

• sub-layer-2：Position-wise Feed-forward Networks，同Encoder。

• sub-layer-3：Encoder-Decoder attention计算。

2、Transformer Encoder 与 Transformer Decoder 有哪些不同？

（1）multi-head self-attention mechanism不同，Encoder中不需要使用Masked，而Decoder中需要使用Masked；

（2）Decoder中多了一层Encoder-Decoder attention，这与 self-attention mechanism不同。

3、Encoder-Decoder attention 与self-attention mechanism有哪些不同？

它们都是用了 multi-head计算，不过Encoder-Decoder attention采用传统的attention机制，其中的Query是self-attention mechanism已经计算出的上一时间i处的编码值，Key和Value都是Encoder的输出，这与self-attention mechanism不同。代码中具体体现：

• ## Multihead Attention ( self-attention)


• self.dec = multihead_attention(queries=self.dec,


• keys=self.dec,


• num_units=hp.hidden_units,


• num_heads=hp.num_heads,


• dropout_rate=hp.dropout_rate,


• is_training=is_training,


• causality=True,


• scope="self_attention")



• ## Multihead Attention ( Encoder-Decoder attention)


• self.dec = multihead_attention(queries=self.dec,


• keys=self.enc,


• num_units=hp.hidden_units,


• num_heads=hp.num_heads,


• dropout_rate=hp.dropout_rate,


• is_training=is_training,


• causality=False,


• scope="vanilla_attention")



4、multi-head self-attention mechanism具体的计算过程是怎样的？



• multi-head self-attention mechanism计算过程

Transformer中的Attention机制由Scaled Dot-Proct Attention和Multi-Head Attention组成，上图给出了整体流程。下面具体介绍各个环节：

• Expand：实际上是经过线性变换，生成Q、K、V三个向量；

• Split heads: 进行分头操作，在原文中将原来每个位置512维度分成8个head，每个head维度变为64；

• Self Attention：对每个head进行Self Attention，具体过程和第一部分介绍的一致；

• Concat heads：对进行完Self Attention每个head进行拼接；

上述过程公式为：




5、Transformer在GPT和Bert等词向量预训练模型中具体是怎么应用的？有什么变化？

• GPT中训练的是单向语言模型，其实就是直接应用Transformer Decoder；

• Bert中训练的是双向语言模型，应用了Transformer Encoder部分，不过在Encoder基础上还做了Masked操作；

BERT Transformer 使用双向self-attention，而GPT Transformer 使用受限制的self-attention，其中每个token只能处理其左侧的上下文。双向 Transformer 通常被称为“Transformer encoder”，而左侧上下文被称为“Transformer decoder”，decoder是不能获要预测的信息的。

Ⅲ python实用代码

python实用代码如：
abs(number)，返回数字的绝对值；cmath.sqrt(number)，返回平方根，也可以应用于负数；float(object)，将字符串和数字转换成浮点数。
Python是一种广泛使用的解释型、高级和通用的编程语言。Python由荷兰数学和计算机科学研究学会的GuidovanRossum创造，第一版发布于1991年，它是ABC语言的后继者，也可以视之为一种使用传统中缀表达式的LISP方言。
Python提供了高效的高级数据结构，还能简单有效地面向对象编程。