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Transfer Learning in Natural Language Processing

阅读量:

作者:禅与计算机程序设计艺术

1.简介

在NLP领域中,Transfer learning (TL) technique是一种广泛使用的机器学习方法。通过将预训练好的模型应用于新的数据集来提升训练效率并提高准确性。transfer learning主要针对以下两个关键挑战:

  • 优化数据集规模,并进而使得时间和资源得到节省;
    • 训练效率存在不足且对计算能力的需求显著提高;鉴于此,
      如何有效利用现有预训练模型来达成目标转移(TL)被视为当前研究热点问题。

本文将着重探讨Transfer learning两大核心应用场景,并深入阐述其基本概念、方法以及应用价值。具体而言,我们将围绕这两个核心应用场景展开详细分析。

基于已构建好的预训练词向量的技术,在自然语言处理(NLP)领域中实现任务迁移学习是一种有效的策略。
在分类任务中采用已构建好的预训练神经网络模型实现迁移学习是一种合理的方法。

本系列文章将深入探讨和解释Transfer learning的核心概念, 详细说明其应用方法以及在实际操作中的技巧要点, 同时结合当前研究领域的最新成果, 展现其在各领域的创新应用与发展趋势

2.基本概念及术语

2.1 什么是Transfer learning?

Transfer learning, 也被称为迁移学习,在机器学习领域中占据着重要地位。它能够有效解决若干相互关联却又各自独立的任务;这些任务之间存在高度的重叠性。例如,在人脸识别、情感分析等领域的应用中均可见到其身影。与传统机器学习方法不同(如回归分析和分类器),该方法仅需少量标注数据即可完成训练过程。

Transfer learning可以分成两个阶段:

  • pre-training stage: 为实现任务性能,在源领域进行预训练工作后,在目标领域进行微调优化。
  • fine-tuning stage: 对模型进行在目标领域的优化配置,并通过重新配置参数来进一步优化其表现能力。

具体来说,在预 training环节中,我们基于源领域中的数据进行预训练以获得通用的模型,并将其应用于目标领域中去。这一过程旨在建立源领域与目标领域的联系基础,并为后续的 fine-tuning stage 提供理论支持和经验积累。在 fine-tuning phase 中,则是在已有基础上对特定的目标样本进行优化工作以进一步提升其适应能力。

2.2 为什么要做Transfer learning?

在NLP领域中,因为词汇、语法和语义等方面存在诸多相似性,在进行深度学习训练时通常会建立在开源大规模语料库的基础上,并根据特定需求进行优化微调以实现性能提升。例如,在构建中文阅读理解模型时可以通过借鉴英文版大规模预训练语言模型并在中文特定领域的数据上进行微调优化进而能够超越仅依赖中文语料库的效果无需自行设计复杂的特征提取方案可以直接采用已有的预训练模型

因此,在实际应用中使用Transfer learning不仅可以大幅缩短人工标注数据所需的时间、减少标注数据成本,并且还能显著提升模型的泛化能力。此外,在不损失性能的前提下计算效率方面也具有诸多优势。例如,在不损失性能的前提下其计算资源占用可相应减少。此外通过直接从头进行训练而非依赖人工标注数据的策略的应用则能够有效降低监督学习风险。

2.3 TL在NLP领域的应用

知识迁移技术在自然语言处理(NLP)领域得到了广泛应用,并涵盖的主要应用领域包括以下几点

  • 词向量迁移学习: 在机器学习领域中, 一种关键的技术手段, 在自然语言处理 (NLP) 任务中发挥着不可替代的作用. 这一方法因其在自然语言处理中的重要性而受到了越来越多研究者的关注. 该方法通过将已从大量数据中提取出的语义信息作为初始权重设置, 在目标领域进行微调优化. 经过这样的微调过程后, 模型能够在目标领域快速适应并展现出良好的性能.

  • 句子嵌入: 将文本转化为低维空间中的向量形式是一种有效的降维技术,这种技术能够将复杂的文本信息转化为固定长度的向量表示,从而便于对文本进行建模分析.从理论角度来看,基于预训练语言模型的方法(BERT、ELMo等)能够在无需大量标注数据支持的情况下实现自然语言处理任务的有效预训练.通过优化模型参数设置,可以使该方法更加适合特定领域的应用需求.

  • 在迁移学习中应用深度学习技术:凭借其强大的表达能力,在计算机视觉和自然语言处理等领域的应用取得了显著成效。预训练神经网络模型同样适用于迁移学习:其中最为著名的包括VGG系列、ResNet系列以及Inception和GoogLeNet等。通过利用预训练模型能够有效减少所需的数据量和计算负担,并且能够迅速适应新的应用场景。

这些方法仅限于目前在NLP领域较为常见的应用。
然而,在NLP领域之外还有许多其他应用场景。
例如,在对话系统中可以通过引入知识图谱辅助生成;
推荐系统中可结合用户行为数据提升准确性;
自动摘要时可融入多模态信息以提高质量;
风险控制方面则需考虑动态环境下的决策机制。

3.方法原理

接下来,我们将结合两个典型的场景来介绍一下TL的基本方法。

3.1 使用预训练的词向量进行NLP任务的迁移学习

Word embeddings(WE)是一种核心的技术,在自然语言处理领域具有重要地位。它能够将原始文本转换为固定长度的向量表示,并通过这些向量作为输入对各种自然语言处理任务进行建模。然而,在迁移学习场景中,我们通常可以直接使用已经预先训练好的Word embeddings模型。

在此,我们采用一种基于SQuAD数据集上的Word embedding技术作为迁移学习(TL)的具体应用实例,并详细阐述其基本原理和实现步骤。

3.1.1 数据准备

为使迁移学习有效进行,在准备数据时需区分源域与目标域的具体特征;通常情况下,在迁移学习中,默认情况下源领域数据与目标领域数据之间存在显著差异。举个例子来说,在将机器翻译从英语迁移至中文的过程中,默认情况下我们可能使用英文语料库作为源领域数据,并以中文语料库作为目标领域数据。

我们需要准备好一个词表集合,其中包含了每个单词对应的唯一索引号。SQuAD数据集中包含了一个具体的示例案例。假设我们的目标是进行机器翻译模型的迁移学习,则需要分别准备英语版和中文版的训练数据集以及测试数据集,并且每个语言版本都需要有自己的词汇表文件。这些预处理好的词汇表文件可以直接导入系统中以便提取所需词汇信息。

复制代码
    import json
    
    with open('vocab_en.json', 'r') as f:
    vocab_en = json.load(f)
    
    with open('vocab_zh.json', 'r') as f:
    vocab_zh = json.load(f)
    
    word_index_en = {w: i for i, w in enumerate(vocab_en)}
    word_index_zh = {w: i for i, w in enumerate(vocab_zh)}
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

3.1.2 源域的预训练模型

因为WE模型通常是相当庞大的原因,我们难以直接将整个WE模型导入内存进行训练。因此,在这种情况下,我们需要从WE模型中选择特定的层级来进行微调,并通过这种方式实现对这些层级中的某些部分进行优化。

假设源域中的词向量嵌入(WE)模型被称为source WE model,并具有output dimension d。我们的目标是使目标域中的WE模型也具有相同的output dimension。为此,我们可以专注于训练source WE model的顶层部分,并通过微调技术进一步优化整个模型架构。

复制代码
    from keras import models
    
    # 创建源域的WE模型
    source_model = models.load_model('source_we_model.h5')
    
    # 只训练最后几层
    for layer in source_model.layers[:-3]:
    layer.trainable = False
    
    # 将模型编译
    source_model.compile(...) 
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

这里我们配置了最后三层的 trainable 参数为False即这些层将被固定不再更新参数。由于前面各层通常已经在源域上进行了充分的预训练因此无需再对之前各层进行微调工作。此外我们需要对模型架构进行重构以确保其能够适应目标领域的特定词汇表。

3.1.3 目标域的训练数据集准备

相较于源域的数据集而言,在实际应用中需要注意避免单纯模仿源域的训练数据,并且在实际应用中也需要特别注意目标领域的文本长度限制。然而,在实际应用中需要注意避免单纯模仿源域的训练数据,并且在实际应用中也需要特别注意目标领域的文本长度限制。

因此,在源域的数据集中选取一定数量的样本以构建目标域的训练数据集是必要的步骤。选择合适的采样策略需根据具体任务的需求而定,在现有研究中通常可采用以下几种方法:例如:随机抽样;按照序列长度分段;根据类别比例分配等多种方案可供参考。设在目标域中有n个样本句子集合S={s₁,s₂,…,sₙ}其中每个样本s_i具有平均长度μ_i,则要求所有样本满足μ_i ≤ μ_target

3.1.4 目标域的训练流程

基于源域的知识储备, 我们可以搭建目标域的数据集. 在源域的学习阶段中, 在每隔固定的间隔周期性地执行一次权重存储操作. 对于目标Domain的学习过程而言, 在每次迭代前需要执行读取和恢复Weight文件的操作, 并从上一轮断点开始继续迭代学习

复制代码
    import tensorflow as tf
    from keras.callbacks import ModelCheckpoint, EarlyStopping
    
    # 定义训练参数
    batch_size = 32
    epochs = 10
    steps_per_epoch = ceil(len(data) / batch_size)
    validation_steps = ceil(len(val_data) / batch_size)
    
    # 定义模型checkpoint回调函数
    checkpoint = ModelCheckpoint('target_we_model.{epoch:02d}-{val_loss:.2f}.h5',
                             save_weights_only=True, period=5)
    
    # 定义early stopping回调函数
    earlystopping = EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=3)
    
    # 定义tensorboard callback函数
    tensorboard = TensorBoard(log_dir="logs/target")
    
    # 初始化目标域的训练数据生成器
    train_generator =... # 根据任务定义,这里省略
    
    # 初始化目标域的验证数据生成器
    val_generator =... # 根据任务定义,这里省略
    
    # 初始化目标域的训练环境
    strategy = tf.distribute.MirroredStrategy()
    with strategy.scope():
    target_model = create_target_model() # 根据任务定义创建目标域模型
    
    if os.path.exists('latest_target_weight'):
        print("Loading latest weights...")
        target_model.load_weights('latest_target_weight')
    
    target_model.compile(optimizer, loss, metrics=[accuracy])
    
    # 启动目标域的训练过程
    history = target_model.fit_generator(
            train_generator,
            steps_per_epoch=steps_per_epoch,
            epochs=epochs,
            validation_data=val_generator,
            validation_steps=validation_steps,
            callbacks=[checkpoint, earlystopping],
            verbose=1
        )
    
    print('Training complete.')
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

这里我们设置了两个回调机制:ModelCheckpoint和EarlyStopping。这些机制分别用于保存模型的权重参数,并自动执行过早终止训练的策略。此外,TensorBoard主要用于实时监控训练过程中的各种指标。

我们还搭建了一个分布式训练环境,在多显卡上展开并行训练配置,使得模型能够实现更快完成速度。

3.1.5 模型效果评估

完成目标域模型的训练后,在模型性能评估阶段需对模型效果进行量化分析。针对自然语言处理(NLP)任务而言,在生成模型评估中常用的方法包括BLEU分数和EM分数。

复制代码
    from nltk.translate.bleu_score import sentence_bleu
    from sklearn.metrics import classification_report
    
    def evaluate_model(test_set):
    """
    测试模型
    :param test_set: 测试数据集
    :return: BLEU score and EM score
    """
    
    preds = []
    trues = []
    
    for en_sent, zh_sent in test_set:
        src_seq = [word_index_en[w] for w in en_sent] + [0]*(max_length-len(en_sent))
    
        enc_out = encoder_model.predict([np.array([src_seq]), np.zeros((1, max_length)), np.zeros((1, max_length))])[0]
    
        tgt_seq = np.zeros((1, 1))
        decoded_sentence = ''
        while True:
            output_tokens, h, c = decoder_model.predict([tgt_seq] + states_value)
    
            sampled_token_index = np.argmax(output_tokens[0, -1, :])
            sampled_char = reverse_target_char_index[sampled_token_index]
            decoded_sentence += sampled_char
    
            if len(decoded_sentence) > max_decoder_seq_length or sampled_char == '\n':
                break
    
        pred_sent = [reverse_target_word_index[i] for i in dec_input_data[:, 0]]
    
        preds.append(pred_sent)
        trues.append([' '.join(zh_sent)])
    
    bleu_scores = []
    em_scores = []
    
    for true_sent, pred_sent in zip(trues, preds):
        bleu_scores.append(sentence_bleu([true_sent], pred_sent))
        em_scores.append(1 if pred_sent[-1][:-1]==true_sent else 0)
    
    return sum(bleu_scores)/len(bleu_scores), sum(em_scores)/len(em_scores)
    
    
    evaluate_model(test_set)
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

在此处,我们创建了一个evaluate_model函数用于计算模型在BLEU分数和EM分数上的表现。测试数据集test_set由一系列数据组成,在其中每个元素都是一个包含源域句子和目标域句子的元组。

为了验证模型性能,我们可以通过将编码器模型与解码器模型组合使用,并对测试数据集进行遍历处理。随后计算生成文本与参考文本之间的BLEU分数及EM分数。特别地,在计算每个候选翻译的EM分数时,请确保删除其末尾多余的换行符以避免影响评估结果。

3.2 用预训练的神经网络模型进行分类任务的迁移学习

深度学习模型不仅能够处理结构化数据还能够处理非结构化文本数据其中一种常见的非结构化数据即是图像即是文字描述的图片近年来深度学习模型的发展出了一大类关键应用极大推动了计算机视觉的发展特别是在解决图像分类物体检测和实例分割等方面发挥了关键作用

当希望利用预训练神经网络模型解决自然语言处理问题时,我们应采取何种措施?研究表明,在处理自然语言处理问题时,迁移学习仍具显著优势.在处理自然语言处理问题时,我们可以采用预训练模型的参数,或采用其中间层以进行建模.此方法统称为'微调',其中包含三个主要阶段:

  • 第一阶段:将预训练模型部署至计算设备,并在其目标领域进行微调操作。该过程的关键在于选择适当的超参数设置(如学习率、正则化系数及dropout率等),因为源领域与目标领域的数据分布通常存在差异性;因此,在优化过程中应着重提升模型对目标领域的适应能力。
  • 第二阶段:分别在源领域和目标领域进行预训练与微调工作;为了提高效率并充分利用可获得的数据资源,在这一环节中我们采用了无监督学习方法来提取潜在的知识表示;这些知识表示随后能够被有效地迁移到新的任务场景中。
  • 第三阶段:基于模型中间层输出特征来进行增量学习任务;在此过程中我们重点依赖于迁移学习获得的特征来解决新任务;具体而言;这些新任务包括分类分析、回归预测以及序列标注等问题。

接下来的部分中,我们将采用迁移学习的方法实施文本分类问题,并详细说明其具体操作步骤。

3.2.1 数据准备

首先, 我们需要准备好了源域与目标域的数据集. 这些数据集应具备相同的标签空间.

复制代码
    import numpy as np
    import pandas as pd
    
    def load_dataset(filename):
    data = pd.read_csv(filename).values
    X, y = data[:, :-1], data[:, -1].astype(int)
    return X, y
    
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

在当前环境中

3.2.2 源域的预训练模型

接下来,我们需要加载并训练源域的预训练模型。

复制代码
    from keras.applications import ResNet50
    
    # 获取源域的标签集
    num_classes = len(set(labels))
    
    # 初始化源域的预训练模型
    base_model = ResNet50(include_top=False, input_shape=(224, 224, 3))
    
    x = base_model.output
    x = GlobalAveragePooling2D()(x)
    x = Dense(1024, activation='relu')(x)
    predictions = Dense(num_classes, activation='softmax')(x)
    
    model = Model(inputs=base_model.input, outputs=predictions)
    
    # 对源域进行预训练
    model.compile(optimizer='rmsprop', loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])
    
    train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255, shear_range=0.2, zoom_range=0.2, horizontal_flip=True)
    val_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
    
    train_flow = train_datagen.flow_from_directory('/content/train/', target_size=(224, 224), color_mode='rgb', class_mode='categorical', shuffle=True)
    val_flow = val_datagen.flow_from_directory('/content/val/', target_size=(224, 224), color_mode='rgb', class_mode='categorical', shuffle=False)
    
    model.fit_generator(train_flow, epochs=10, validation_data=val_flow)
    
    model.save('pretrained_resnet.h5')
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

在本研究中, 我们从Keras的应用库中加载了ResNet50模型. 其输出维度设定为2048, 与目标领域中的数据集具有相同的输出维度. 通过构建一个新的神经网络架构, 将ResNet50的输出作为输入特征, 接着依次添加全局平均池化层和两个全连接层.

因为源域的数据样本数量有限,并且类别划分不明显的原因,在本研究中我们选择了采用交叉熵损失函数作为评价指标。为了避免模型在训练过程中出现过拟合现象,在网络结构中加入了丢弃层来进一步提升模型的泛化能力。最后我们通过ImageDataGenerator类生成训练所需的数据集,并利用fit_generator函数来进行模型的训练。

训练结束后,我们可以保存模型权重。

3.2.3 目标域的训练数据集准备

在目标域的数据集中,我们可能借鉴源域的数据集内容,并规定每条句子的最大长度限制为512个字。我们可以通过从源域的数据集中随机抽取部分样本,并在其前缀处附加特定标记来实现这一目标。这可被视为一种对抗性学习策略。

复制代码
    def generate_data():
    inputs = ['[CLS]'] + list(text[:random.randint(0, 257)]+'.'+'\n' for text in texts)
    targets = labels + [label] * random.randint(0, 257)[:512-(len(texts)+1)]
    masks = [1] * len(inputs) + [0] * 512 - len(inputs)
    segment_ids = [0] * len(inputs) + [0] * 512 - len(inputs)
    
    assert len(inputs) <= 512 and len(targets) <= 512 and len(masks) <= 512 and len(segment_ids) <= 512
    
    return [inputs, targets, masks, segment_ids]
    
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

在这里,generate_data函数接收一批句子text和标签label作为输入,并将它们传递给生成结果。其中inputs和targets分别表示源域的输入句子与标签,masks和segment_ids则作为辅助变量使用。

注意,请确保该函数判断输入的句子数量是否超过512,并截断超出的部分。

3.2.4 目标域的训练流程

目标领域的训练过程与另一领域类似,在此过程中我们需加载预训练模型,并在此基础上对目标数据集进行精细微调以获得最佳效果。

复制代码
    import tensorflow as tf
    from keras.models import Sequential, Model
    from keras.layers import Input, Dropout, Dense, LSTM, Embedding, TimeDistributed, Lambda, Concatenate, Multiply, GRU, Bidirectional
    from keras.optimizers import Adam
    from keras.losses import categorical_crossentropy
    
    # 从预训练模型加载权重
    model = Sequential()
    model.add(InputLayer(input_shape=(512,), dtype='int32'))
    model.add(Embedding(input_dim=vocab_size, output_dim=embedding_dim, mask_zero=True))
    model.add(Bidirectional(GRU(units=hidden_size//2, return_sequences=True)))
    model.add(Dropout(rate=drop_rate))
    model.add(Dense(units=num_classes, activation='sigmoid'))
    model.build()
    model.load_weights('pretrained_resnet.h5')
    
    # 添加目标域的训练网络层
    train_model = Model(inputs=model.input, outputs=model.get_layer(-2).output)
    
    opt = Adam(lr=learning_rate)
    train_model.compile(optimizer=opt,
                    loss={'dense_1': lambda y_true, y_pred: y_pred},
                    metrics=['accuracy'], experimental_run_tf_function=False)
    
    # 初始化目标域的训练数据生成器
    train_dataset = tf.data.Dataset.from_generator(lambda: generate_data(), output_types=(tf.int32, tf.int32, tf.float32, tf.int32)).repeat().batch(batch_size).prefetch(buffer_size=tf.data.experimental.AUTOTUNE)
    
    # 启动目标域的训练过程
    history = train_model.fit(train_dataset, epochs=10, steps_per_epoch=steps_per_epoch, verbose=1)
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

这里我们搭建了一个简单的LSTM架构并将其第二层输出结果作为当前任务的基础输入数据由于缺少标注信息在当前设计中仅配置了一个全连接层用于完成学习目标

我们需要在训练模型时引入一个自定义损失函数,并建议采用该方法以应对目标域缺乏标注信息的问题。为了仅依赖于预训练模型的输出结果而避免引入额外标注数据,在设计过程中我们采用了将损失函数直接基于预测值进行计算的方式。

该生成器能够输出一个包含四个元素的列表[inputs, targets, masks, segment\_ids]。其中可视为源域输入句子与对应标签的关系为inputstargets; mask标记与segment_id标识符被用作辅助变量。通过使用prefetch函数来进行异步预取操作以加快训练节奏将提升整体效率

3.2.5 模型效果评估

在目标域上完成模型的训练后, 我们需要对模型的性能进行评估, 以此来验证迁移学习的效果如何. 对于文本分类任务, 常见的评估标准包括准确率和F1分数.

复制代码
    from sklearn.metrics import accuracy_score, precision_recall_fscore_support
    
    def evaluate_model(eval_data):
    """
    测试模型
    :param eval_data: 测试数据集
    :return: 准确率和F1 score
    """
    
    predictions = []
    
    for texts in eval_data:
        pred = model.predict([[tokenizer.convert_tokens_to_ids('[CLS]')]+tokenizer.encode(text)[1:] for text in texts]).argmax(axis=-1)
        predictions.extend(pred)
    
    acc = accuracy_score(labels, predictions)
    p, r, f1, _ = precision_recall_fscore_support(labels, predictions, average='weighted')
    
    return {'acc': acc, 'precision': p,'recall': r, 'f1': f1}
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

这里,我们开发了一个evaluate_model函数,并将一批句子texts作为输入参数传递给该函数。该函数计算并返回模型评估指标集合。

为了对测试数据集进行分析与评估,在机器学习流程中我们会采取以下步骤:首先遍历整个测试数据集的所有样本;然后通过训练好的机器学习模型来进行预测;接下来会利用scikit-learn库中的评估指标工具来计算包括准确率在内的多个关键指标(如精确率、召回率和F1 score)。需要注意的是,在这种情况下...这使得模型的训练速度较为迅速。

3.2.6 增量学习

除了在源领域与目标领域之间进行预训练及微调之外,在迁移学习中还可以利用模型中间层节点用于增量学习新任务。例如,在已有文本分类器的基础上希望完成情感分析任务时可以采取以下措施:假设我们已构建好一个文本分类模型现希望利用该分类器对影评内容的情感状态进行分析那么可以将预训练阶段所得结果取自倒数第二层节点作为特征输入并将其输出结果传递给一个新的情感分析器这一过程即为完成增量学习任务

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