浅谈RNN、LSTM + Kreas实现及应用

本文主要针对RNN与LSTM的结构及其原理进行详细的介绍，了解什么是RNN，RNN的1对N、N对1的结构，什么是LSTM，以及LSTM中的三门（input、ouput、forget），后续将利用深度学习框架Kreas，结合案例对LSTM进行进一步的介绍。

一、RNN的原理

　　RNN（Recurrent Neural Networks），即全称循环神经网络，它是一种对序列型的数据进行建模的深度模型。如图1.1所示。

 

图1.1

 

　　1、其中为序列数据。即神经网络的输入，例如nlp中，X₁可以看作第一个单词、X₂可以看作是第二个单词，依次类推。语音处理中，可以将是每帧的声音信号。时间序列中，例如，某生活用品的销量数据。

　　2、U、W、V是参数矩阵，b、c是偏置项，f是激活函数，通常采用”热撸”、tanh函数作为激活函数，用softmax将输出转换成各个类别的概率。

　　3、上图为经典的RNN结构，其运算过程可以表示为：

 

式中：表示神经网络的输出；表示前一个时间点的状态；

　　4、考虑到输入与输出的关系，序列问题具有以下分类：

       一对多的RNN结构：序列输出，用于图像字幕，如图1.2所示。

 

图1.2

　　多对一的RNN结构：序列输入，用于情感分类，如图1.3所示。

 

 

图1.3

　　多对多：序列输入和输出，用于机器翻译

　　同步多对多：同步序列输入和输出，用于视频分类

二、LSTM的原理

　　上面第一部分简单介绍了RNN的几种结构，接下来，介绍一下RNN的改进版：LSTM。LSTM（long short-term memory，长短时记忆网络），它的出现解决了很难处理的“长程依赖”问题，即无法学到序列中蕴含的间隔时间较长的规律。RNN每一层的隐状态都由前一层的隐状态经过变换和激活函数得到，反向传播求导时最终得到的导数会包含每一步梯度的连乘，将会引起梯度的消失或者梯度的爆炸。LSTM在隐状态使用了加法替代了每一步的迭代变换，这样便可以避免梯度消失的问题，从而使得网络学到长程的规律。

RNN可用图1.4表示

 

图1.4

 

　　同理，LSTM的结构图1.5所示

 

图1.5

　　其中图1.5中的符号，长方形表示对输入的数据做变换或激活函数；圆形表示逐点，逐点运算是指两个形状完全相同的矩形的对应位置进行相加、相乘或者其他的一些运算；箭头则表示向量会在那里进行运算。注意： 通过concat操作，才进入Sigmoid或tanh函数。

　　RNN与LSTM有所不同，LSTM的隐状态有两部分，一部分是h_t ，另一部分则是，在各个步骤之间传递的主要信息，绿色的水平线可看作“主干道”，如图1.6所示。通过加法，可以无障碍的在这条主干道上传递，因此较远的梯度也可以在长程上传播，这便是LSTM的核心思想。

 

图1.6

　　但是，不是每一步的信息都是完全使用前一步的，而是在 的基础之上“遗忘”掉一些内容，或“记住”一些内容。

　　1、  遗忘门，我们首先谈一谈遗忘门，每个单元都有一个“遗忘门”，用来控制遗忘掉 的那些部分，其结构如图1.7所示。其中σ是sigmoid激活函数，它的输出在0~1之间，遗忘门输出的 相同形状的矩阵，该矩阵将会和逐点相乘，决定遗忘掉那部分内容。经过激活函数的输出，f取值接近0的维度上的信息就会被“忘记”，而f取值接近1的维度上的信息就会被保留。

 

图1.7

　　2、 输入层，如图1.8，在循环神经网络“忘记”了部分之前的状态后，它还需要从当前的输入补充最新的记忆，这个过程就是“输入门”完成的。输入门的输入同样是两项，分别是：。它的输出项，一项是 ，同样经过Sigmoid函数运算得到，其值都是在0~1之间，还有一项。最终要“记住”的内容是与点相乘，如图1.9。

 

 

图1.8

 

图1.9

3、  输出门，输出门用于计算另一个隐状态的值，真正的输出（如类别）需要通过做进一步运算得到。输出门的结构如图1.20所示，同样根据计算，中每一个数值在0~1之间，通过得到。

 

图1.20

最终总结：LSTM中每一步的输入是，隐状态是，最终的输出必须要经过进一步变换得到。

'''
1、读取IMDb数据集
2、建立token字典
3、使用token将“影评文字”转换成“数字列表”
4、截长补短让所有“数字列表”的长度都为100
5、建立嵌入层将“数字列表”转换为“向量列表”
'''

from keras.preprocessing import sequence #用于将截长补短，让所有“数字列表”长度为100
from keras.preprocessing.text import Tokenizer  #用于建立字典
# Using TensorFlow backend
from keras.models import Sequential
from keras.layers.core import Dense,Dropout,Activation,Flatten
from keras.layers.embeddings import Embedding
from keras.layers.recurrent import LSTM
from matplotlib import pyplot as plt

import os
import re
import pandas as pd
def rm_tags(text):
    re_tag = re.compile(r',<[^>]+>')
    return re_tag.sub('',text)
def read_files(filename):
    path = "D:/pycharm_program/keras_file/aclImdb/"
    filelist = []
    positive_path = path+filename+"/pos/"
    print(os.listdir(positive_path))
    for f in os.listdir(positive_path):
        filelist += [positive_path+f]

    negative_path = path+filename+"/neg/"
    print(os.listdir(negative_path))
    for f in os.listdir(negative_path):
        filelist += [negative_path+f]

    all_labels = [1] * 12500 + [0] * 12500
    all_texts = []
    for fi in filelist:
        with open(fi,encoding='utf8') as file_input:
            all_texts += [rm_tags("".join(file_input.readlines()))]
    print(len(filelist))
    return all_labels,all_texts
# read_files("train")
# read_files("test")
pd.set_option('display.max_columns',10000)

y_train_labels,y_train_text = read_files("train")
print(y_train_text[0])
y_test_labels,y_test_text = read_files("test")

#建立token，将数据集中，按照每个英文单词在所有影评中出现的次数进行排序，排序的前3800名的英文单词会列入字典中
token = Tokenizer(num_words=4000)
token.fit_on_texts(y_train_text)
print(token.document_count)#查看读取了多少篇文章

#将“评论文字”转换为“数字列表”
y_train_text_seq = token.texts_to_sequences(y_train_text)
y_test_text_seq = token.texts_to_sequences(y_test_text)

#截长补短，保留数字列表后380个数字，不够添加成380个数字
y_train = sequence.pad_sequences(y_train_text_seq,maxlen=300)
y_test = sequence.pad_sequences(y_test_text_seq,maxlen=300)

def creat_model():
    #建立一个线性堆叠模型，后续只需要将各个神经网络层加入模型即可
    model = Sequential()
    #嵌入层,只能作为第一层
    model.add(Embedding(output_dim=32,
                        input_dim=4000,
                        input_length=300))
    #Dropout层
    model.add(Dropout(0.2))
    #LSTM层
    model.add(LSTM(32))
    #隐藏层
    model.add(Dense(units=256,activation='relu'))  #全连接层
    # Dropout层
    model.add(Dropout(0.2))
    # 输出层
    model.add(Dense(units = 1,activation="sigmoid"))
    #查看模型摘要
    print(model.summary())
    return model
model = creat_model()

#训练模型之前，对训练模型进行设置
model.compile(loss='binary_crossentropy',#categorical_crossentropy
              optimizer = 'adam',
              metrics = ['accuracy'])

train_history = model.fit(y_train,y_train_labels,batch_size=100,epochs=10,verbose=2,validation_split=0.2)
#verbose = 2:显示训练过程
#validation_split=0.2 划分数据集

#评估模型的准确率
scores = model.evaluate(y_test,y_test_labels,verbose=1)

def save_model():
    #将模型保存成JSON文件
    model_json = model.to_json()
    with open('model.increment.json','w') as f:
        f.write(model_json)

    model.save_weights('model.increment.json.h5')

    #从JSON文件中加载模型
    with open('model.increment.json','r') as f:
        model_json = f.read()

    from keras.models import model_from_json
    new_model = model_from_json(model_json)
    new_model.load_weights('model.increment.json.h5')
    new_model.compile(loss='binary_crossentropy',
                  optimizer = 'adam',
                  metrics = ['accuracy'])
    #编译模型
    new_model.fit(y_train,y_train_labels,batch_size=100,epochs=10,verbose=2,validation_split=0.2)

    #评估模型的准确率
    scores = model.evaluate(y_test,y_test_labels,verbose=1)
# save_model()

def predict_review(input_text):  #预测一段text
    input_seq = token.texts_to_sequences(input_text)
    pad_input_seq = sequence.pad_sequences(input_seq,maxlen=300)
    predict_result = model.predict_classes(pad_input_seq)
#acc的历史
plt.plot(train_history.history['acc'])
plt.plot(train_history.history['val_acc'])
plt.title("model accuracy")
plt.ylabel('accuracy')
plt.xlabel('epoch')
plt.legend(['train','validation'],loc = 'upper left')
plt.show()

#loss的历史
plt.plot(train_history.history['loss'])
plt.plot(train_history.history['val_loss'])
plt.title("model loss")
plt.ylabel('loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.legend(['train','validation'],loc = 'upper left')
plt.show()