pytorch实现textCNN

原理

2014年的一篇文章,开创cnn用到文本分类的先河。Convolutional Neural Networks for Sentence Classification 原理说简单也简单,其实就是单层CNN加个全连接层:

textcnn

不过与图像中的cnn相比,改动为将卷积核的宽固定为一个词向量的维度,而长度一般取2,3,4,5这样。上图中第一幅图的每个词对应的一行为一个词向量,可以使用word2vec或者glove预训练得到。本例中使用随机初始化的向量。

数据预处理

手中有三个文件,分别为train.txt,valid.txt,test.txt。其中每一行是一个字符串化的字典,格式为{‘type’: ‘xx’, ‘text’:‘xxxxx’}。

转换为csv格式

首先将每个文件转换为csv文件,分为text和label两列。一共有4种label,可以转换为数字表示。代码如下:

# 获取文件内容
def getData(file):
  f = open(file,'r')
  raw_data = f.readlines()
  return raw_data

# 转换文件格式
def d2csv(raw_data,label_map,name):
  texts = []
  labels = []
  i = 0
  for line in raw_data:
      d = eval(line) #将每行字符串转换为字典
      if len(d['type']) <= 1 or len(d['text']) <= 1: #筛掉无效数据
          continue
      y = label_map[d['type']] #根据label_map将label转换为数字表示
      x = d['text']
      texts.append(x)
      labels.append(y)
      i+=1
      if i%1000 == 0:
          print(i)
  df = pd.DataFrame({'text':texts,'label':labels})
  df.to_csv('data/'+name+'.csv',index=False,sep='\t') # 保存文件

label_map = {'执行':0,'刑事':1,'民事':2,'行政':3}

train_data = getData('data/train.txt') #22000+行
d2csv(train_data,label_map,'train')
valid_data = getData('data/valid.txt') # 2000+行
d2csv(valid_data,label_map,'valid')
test_data = getData('data/test.txt') # 2000+行
d2csv(test_data,label_map,'test')

观察数据分布

对于本任务来说,需要观察每个文本分词之后的长度。因为每个句子是不一样长的,所以需要设定一个固定的长度给模型,数据中不够长的部分填充,超出部分舍去。训练的时候只有训练数据,因此观察训练数据的文本长度分布即可。分词可以使用jieba分词等工具。

train_text = []
for line in train_data:
  d = eval(line)
  t = jieba.cut(d['text'])
  train_text.append(t)

sentence_length = [len(x) for x in train_text] #train_text是train.csv中每一行分词之后的数据
%matplotlib notebook
import matplotlib.pyplot as plt
plt.hist(sentence_length,1000,normed=1,cumulative=True)
plt.xlim(0,1000)
plt.show()

得到长度的分布图:

Histogram

可以看到长度小于1000的文本占据所有训练数据的80%左右,因此训练时每个文本固定长度为1000个词。

由文本得到训练用的mini-batch数据

目前我们手里的数据为csv形式的两列数据,一列字符串text,一列数字label。label部分不需要再处理了,不过text部分跟可训练的数据还差得远。

假设每个词对应的词向量维度为Dim,每一个样本的分词后的长度已知设为W=1000,每个mini-batch的大小为N。那么我们希望得到的是一个个维度为N∗W∗Dim的浮点数数据作为mini-batch输入到模型。 于是还需要以下几个步骤:

  • 分词
  • 去除停用词
  • 建立词汇表(词汇表是词语到index的映射,index从0到M,M为已知词汇的个数,形如{'可爱‘:0, ‘美好’:1,…})
  • 将分词且去除停用词之后的数据转换为下标数据, 其中长度不足W的样本在后面补特定字符,长度超过W的样本截断。
  • 将数据分割为一个个N∗W大小的mini-batch作为模型的输入。
  • 根据mini-batch数据向词向量中映射得到N∗W∗Dim大小的最终输入。(这步在模型中)

看起来复杂哭了,手动处理起来确实有些麻烦。不过后来发现跟pytorch很相关的有个包torchtext能够很方便的做到这几步,所以直接来介绍用这个包的做法。

在贴代码之前先贴两个torchtext的教程。torchtext入门教程 还是不懂的话看torchtext文档。 还还是不懂请直接看源码。对照教程看以下代码。 首先是分词函数,写为有一个参数的函数:

def tokenizer(x):
  res = [w for w in jieba.cut(x)]
  return res

接着是停用词表,在网上找的一个停用词资源(也可以跳过这步):

stop_words = []
print('build stop words set')
with open('data/stopwords.dat') as f:
  for l in f.readlines():
      stop_words.append(l.strip())

然后设定TEXT和LABEL两个field。定义以及参数含义看上面的文档或教程。

TEXT = data.Field(sequential=True, tokenize=tokenizer,fix_length=1000,stop_words=stop_words)
LABEL = data.Field(sequential=False,use_vocab=False)

读取文件,分词,去掉停用词等等。直接一波带走:

train,valid,test = data.TabularDataset.splits(path='data',train='train.csv',
                                            validation='valid.csv',test='test.csv',
                                            format='csv',
                                            skip_header=True,csv_reader_params={'delimiter':'\t'},
                                            fields=[('text',TEXT),('label',LABEL)])

建立词汇表:

TEXT.build_vocab(train)

生成iterator形式的mini-batch数据:

train_iter, val_iter, test_iter = data.Iterator.splits((train,valid,test),
                                                           batch_sizes=(args.batch_size,args.batch_size,args.batch_size),
                                                           device=args.device,
                                                           sort_key=lambda x:len(x.text),
                                                           sort_within_batch=False,
                                                           repeat=False)

That’s all! 简单得令人发指!虽然为了搞懂这几个函数整了大半天。最终的这几个xxx_iter就会生成我们需要的维度为N∗W的数据。

模型

模型其实相对很简单,只有一个embedding映射,加一层cnn加一个激活函数以及一个全连接。不过需要注意使用不同大小的卷积核的写法。可以选择使用多个nn.Conv2d然后手动拼起来,这里使用nn.ModuleList模块。其实本质上还是使用多个Conv2d然后拼起来。

rimport torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class textCNN(nn.Module):
  def __init__(self, args):
      super(textCNN, self).__init__()
      self.args = args

      Vocab = args.embed_num ## 已知词的数量
      Dim = args.embed_dim ##每个词向量长度
      Cla = args.class_num ##类别数
      Ci = 1 ##输入的channel数
      Knum = args.kernel_num ## 每种卷积核的数量
      Ks = args.kernel_sizes ## 卷积核list,形如[2,3,4]

      self.embed = nn.Embedding(Vocab,Dim) ## 词向量,这里直接随机

      self.convs = nn.ModuleList([nn.Conv2d(Ci,Knum,(K,Dim)) for K in Ks]) ## 卷积层
      self.dropout = nn.Dropout(args.dropout) 
      self.fc = nn.Linear(len(Ks)*Knum,Cla) ##全连接层

  def forward(self,x):
      x = self.embed(x) #(N,W,D)

      x = x.unsqueeze(1) #(N,Ci,W,D)
      x = [F.relu(conv(x)).squeeze(3) for conv in self.convs] # len(Ks)*(N,Knum,W)
      x = [F.max_pool1d(line,line.size(2)).squeeze(2) for line in x]  # len(Ks)*(N,Knum)

      x = torch.cat(x,1) #(N,Knum*len(Ks))

      x = self.dropout(x)
      logit = self.fc(x)
      return logit

训练脚本

训练脚本中还有设置optimizer以及loss的部分。其余部分比较trivial。

import os
import sys
import torch
import torch.autograd as autograd
import torch.nn.functional as F

def train(train_iter, dev_iter, model, args):
  if args.cuda:
      model.cuda(args.device)

  optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=args.lr)

  steps = 0
  best_acc = 0
  last_step = 0
  model.train()
  print('training...')
  for epoch in range(1, args.epochs+1):
      for batch in train_iter:
          feature, target = batch.text, batch.label #(W,N) (N)
          feature.data.t_()

          if args.cuda:
              feature, target = feature.cuda(), target.cuda()

          optimizer.zero_grad()
          logit = model(feature)
          loss = F.cross_entropy(logit, target)
          loss.backward()
          optimizer.step()

          steps += 1
          if steps % args.log_interval == 0:
              result = torch.max(logit,1)[1].view(target.size())
              corrects = (result.data == target.data).sum()
              accuracy = corrects*100.0/batch.batch_size
              sys.stdout.write('\rBatch[{}] - loss: {:.6f} acc: {:.4f}$({}/{})'.format(steps,
                                                                                      loss.data.item(),
                                                                                      accuracy,
                                                                                      corrects,
                                                                                      batch.batch_size))
          if steps % args.dev_interval == 0:
              dev_acc = eval(dev_iter, model, args)
              if dev_acc > best_acc:
                  best_acc = dev_acc
                  last_step = steps
                  if args.save_best:
                      save(model,args.save_dir,'best',steps)
              else:
                  if steps - last_step >= args.early_stop:
                      print('early stop by {} steps.'.format(args.early_stop))
          elif steps % args.save_interval == 0:
              save(model,args.save_dir,'snapshot',steps)

模型的保存:

def save(model, save_dir, save_prefix, steps):
  if not os.path.isdir(save_dir):
      os.makedirs(save_dir)
  save_prefix = os.path.join(save_dir,save_prefix)
  save_path = '{}_steps_{}.pt'.format(save_prefix,steps)
  torch.save(model.state_dict(),save_path)

eval函数,用来评估验证集与测试集合上的准确率acc。

def eval(data_iter, model, args):
  model.eval()
  corrects, avg_loss = 0,0
  for batch in data_iter:
      feature, target = batch.text, batch.label
      feature.data.t_()

      if args.cuda:
          feature, target = feature.cuda(), target.cuda()

      logit = model(feature)
      loss = F.cross_entropy(logit,target)

      avg_loss += loss.data[0]
      result = torch.max(logit,1)[1]
      corrects += (result.view(target.size()).data == target.data).sum()

  size = len(data_iter.dataset)
  avg_loss /= size 
  accuracy = 100.0 * corrects/size
  print('\nEvaluation - loss: {:.6f} acc: {:.4f}%({}/{}) \n'.format(avg_loss,accuracy,corrects,size))

  return accuracy

main函数

这暂时就不贴了。可以参考下一部分给出的github。 最终在测试集合上accuracy为97%(毕竟只是四分类)。 但是遇到个问题就是随着accuracy上升,loss也在迅速增大。

log

在一番探究之后大致得出结论就是,这样是没问题的。比如在本例中是个四分类,加入全连接层输出的结果是[-10000,0,0,10000],而正确分类是0。那么这就是个错误的结果。计算一下这个单个样例的loss。先算softmax,约等于[e−20000,e−10000,e−10000,1e−20000,e−10000,e−10000,1 e^{-20000},e^{-10000},e^{-10000},1e−20000,e−10000,e−10000,1]。真实的label为[1,0,0,0],因此交叉熵为20000。所以我们发现这一个错误样例的loss就会这么大。最终的loss大一些也是正常的。 不过为什么随着accuracy接近100%而导致loss迅速增加这个问题还需要进一步研究。大概是因为随着accuracy升高导致结果接近训练集的分布,这样与验证集或测试集的分布产生比较极端差别的个例会增加。

代码部分参考了很多这位老哥的github,在此感谢。跟他不一样的地方主要是数据处理部分。

本文来源:

参考链接:

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