NLP与深度学习（六）BERT模型的使用

从头开始训练一个BERT模型是一个成本非常高的工作，所以现在一般是直接去下载已经预训练好的BERT模型。结合迁移学习，实现所要完成的NLP任务。谷歌在github上已经开放了预训练好的不同大小的BERT模型，可以在谷歌官方的github repo中下载^[1]。

以下是官方提供的可下载版本：

 

其中L表示的是encoder的层数，H表示的是隐藏层的大小（也就是最后的前馈网络中的神经元个数，等同于特征输出维度）。

除此之外，谷歌还提供了BERT-uncased与BERT-cased格式，分别对应是否包含大小写。一般来说，BERT-uncased（仅包含小写）比较常用，因为大部分场景下，单词是否大小写对任务的影响并不大。但是在部分特定场景，例如命名体识别（NER），则BERT-cased是更合适的。

在应用BERT预训练模型时，实际上就是迁移学习，所以用法就是2个：

1. 特征提取（feature extraction）
2. 微调（fine-tune）

下面我们会分别介绍这2种方法的使用。

2. BERT特征提取

特征提取非常简单，直接将单词序列输入到已经预训练好的BERT中，得到的输出即为单词以及句子的特征。

举个例子，以情感分析任务为例，假设有条句子”I love Beijing” ，它的情感为正面情感。在对这个句子通过BERT做特征提取时，首先使用WordPiece对它进行分词，得到单词列表：

Tokens = [ I, love, Beijing]

然后加上特殊token [CLS] 与 [SEP]（它们的作用已在前面的章节进行过介绍，在此不再赘述）：

Tokens = [ [CLS], I, love, Beijing, [SEP] ]

接下来，为了使得训练集中所有句子的长度保持一致，我们会指定一个“最大长度” max_length。对于长度小于此max_length的句子，对它进行补全；而对于超过了此max_length的句子，对它进行裁剪。假设我们这里指定了max_length=7，则对上面的句子进行补全时，使用特殊token [PAD]，将句子长度补全到7。如：

Tokens = [ [CLS], I, love, Beijing, [SEP], [PAD], [PAD] ]

在使用了[PAD] 作为填充后，还需要一个指示标志，用于表示 [PAD] 仅是用于填充，不代表任何意义。这里用到了一个称为attention mask的列表来表示，它的长度等同于max_length。对于每条句子，如果对应位置的单词为[PAD]，则attention mask此位置的元素取值为0，反之为1。例如，对于这个例子，attention mask的值为：

attention_mask = [ 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0 ]

最后，由于模型无法直接识别单词，仅能识别数字，所以还需要将单词映射为数字。我们首先会对整个单词库做一个词典，每个单词都有对应的1个序号（此序号为不重复的数字）。在这个例子中，假设我们已经构建了一个字典，则对应的这些单词的列表为：

token_ids = [101, 200, 303, 408, 102, 0, 0]

其中 101 即对应的是 [CLS] 的序号，200对应的即是单词“I”的序号，依此类推。

在准备好以上数据后，即可将 token_ids 与 attention_mask 输入到预训练好的BERT模型中，便得到了每个单词的embedding表示。如下图所示：

在上图中，为了表述方便，在输入时还是使用的单词，但是需要注意的是：实际的输入是token_ids 与 attention_mask。在经过了BERT的处理后，即得到了每个单词的嵌入表示（此嵌入表示包含了整句的上下文）。假设我们使用的是BERT-base模型，则每个词嵌入的维度即为768。

在上一章介绍BERT训练的时候我们提到过，可以使用E([CLS]) 来表示整个句子的信息。并将它输入到前馈网络与softmax中进行分类任务。但是仅使用 E([CLS]) 作为整个句子的表示信息也并非总是最好的办法。一种更高效的方法是给所有token的嵌入表示做平均或是池化（pooling），来代表整句的信息。具体方法我们后续会做介绍。

至此，我们已经介绍了使用预训练BERT做特征提取的过程，下面介绍如何使用python lib库来实现此过程。

3. Hugging Face transformers

Hugging Face是一个专注于NLP技术的公司，提供了很多预训练的模型以及数据集供直接使用，包括很多大家可能已经了解过的模型，例如bert-base、roberta、gpt2等等。其官网地址为： https://huggingface.co/

除了提供预训练的模型外，Hugging Face提供的transformers库也是在NLP社区非常热门的库。并且transformers的库同时支持pytorch与tensorflow。

安装transformers 库非常简单：

!pip install transformers

import transformers
transformers.__version__
'4.11.3'

4. 生成BERT Embedding

前面我们介绍了BERT特征提取，下面通过代码实现此功能。

首先引入包并下载所需模型：

from transformers import TFBertModel, BertTokenizer
import tensorflow as tf

# download bert-base-uncased model
model = TFBertModel.from_pretrained('bert-base-uncased')
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased')

我们使用的是tensorflow，所以引入的是TFBertModel。如果有使用pytorch的读者，可以直接引入BertModel。

通过 from_pretrained() 方法可以下载指定的预训练好的模型以及分词器，这里我们使用的是bert-base-uncased。前面对bert-based 有过介绍，它包含12个堆叠的encoder，输出的embedding维度为768。

对于所有可用预训练模型，可以通过Hugging face 官网查询^[2]。

引入模型后，下面从一个例子来看输入数据的处理。

先对句子做分词，然后加上特殊token [CLS] 与 [SEP]。假设我们指定的max_length 为7，则继续补上 [PAD]：

sentence = 'I love Beijing'

tokens = tokenizer.tokenize(sentence)
print(tokens)

tokens = ['[CLS]'] + tokens + ['[SEP]']
print(tokens)

tokens = tokens + ['[PAD]'] * 2
print(tokens)

['i', 'love', 'beijing']
['[CLS]', 'i', 'love', 'beijing', '[SEP]']
['[CLS]', 'i', 'love', 'beijing', '[SEP]', '[PAD]', '[PAD]']

然后根据tokens构造attention_mask：

attention_mask = [ 1 if t != '[PAD]' else 0 for t in tokens]
print(attention_mask)

[1, 1, 1, 1, 1, 0, 0]

将所有tokens 转为 token id：

token_ids = tokenizer.convert_tokens_to_ids(tokens)
print(token_ids)

[101, 1045, 2293, 7211, 102, 0, 0]

将token_ids 与 attention_mask 转为tensor：

token_ids = tf.convert_to_tensor(token_ids)
token_ids = tf.reshape(token_ids, [1, -1])

attention_mask = tf.convert_to_tensor(attention_mask)
attention_mask = tf.reshape(attention_mask, [1, -1])

在这些步骤后，我们下一步即可将它们输入到预训练的模型中，得到embedding：

output = model(token_ids, attention_mask = attention_mask)
print(output[0].shape, output[1].shape)

(1, 7, 768) (1, 768)

根据TFModel的API说明^[3]，这2个返回分别为：

1. BERT模型最后一层的输出。由于输入有7个tokens，所以对应有7个token的Embedding。其对应的维度为（batch_size, sequence_length, hidden_size）
2. 输出层中第1个token（这里也就是对应 的[CLS]）的Embedding，并且已被一个线性层 + Tanh激活层处理。线性层的权重由NSP作业预训练中得到。其对应的维度为（batch_size, hidden_size）

4.1. 是否需要其他隐藏层输出

上面介绍了如何获取BERT最后一层的输出表示，要获取每层的表示也非常简单，仅需要添加参数 output_hidden_states=True 即可，例如：

output = model(token_ids, attention_mask = attention_mask, output_hidden_states=True)

不过这里有一点需要讨论的是：是否需要中间隐藏层的输出？还是仅使用最后一层的输出就足够了？

对于此问题，BERT的研究人员做了进一步研究。在命名体识别任务中，研究人员除了使用BERT最后一层的输出作为提取的特征外，还尝试使用了其他层的输出（例如通过拼接的方式进行组合），并得到以下F1分数：

 

Fig.1 Sudharsan Ravichandiran. Getting Started with Google BERT^[4]

从这个结果可以看到，在使用最后4层（h₉到h₁₂层的拼接）的输出时，能得到比仅使用h₁₂的输出更高的F1分数96.1。所以仅使用BERT最后一层的输出并非在所有场景下都是最好的选择，有时候也需要尝试使用其他层的输出，观察是否能得到更好的效果。

5. Fine-Tune BERT

上面介绍了BERT在迁移学习中的一种用法——特征提取（feature extraction）。除此之外，还有另一种用法，称为微调（Fine-tune）。两者主要的区别在于：特征提取直接获取预训练的BERT模型的输出作为特征，对预训练的BERT的模型参数不会有任何改动。而微调是将预训练的BERT与下游任务结合使用，在训练过程中预训练BERT模型的参数会被更新。

下面我们会介绍如何将预训练的BERT与下游任务结合起来，对预训练的BERT进行Fine-Tune。一般下游任务包括：文本分类、自然语言推理（Natural language inference）、命名体识别（NER）、问答系统（QA）等。这里我们主要介绍一种文本分类任务：情感分析。

5.1. 文本分类

以情感分析为例，我们的数据集是一条条文本，每条文本对应一个label。Label可以是1或0，分别代表“正面情感”和“负面情感“。情感分析的任务是：输入一条文本，判断这条文本的label是0还是1。也就是说，这是一个二分类任务。当然，这只是一个最简单的情感分析任务。稍微复杂点的例如：label有多个分类，分别代表“高兴”、“悲伤”、“愤怒”等等，是一个多分类任务。再复杂一点的例如：除了判断这个文本的情感外，还要判断这个情感的强度，例如，label为“高兴”、程度为3。在这里我们仅介绍最简单的情感分类，label只有0和1。

还是以之前的句子“I love Beijing”为例，我们对句子做分词、加上特定tokens、补全到max_length、生成token_id、attention_mask，并送入到BERT。得到最后一层输出的 [CLS]

的Embedding表示。此时E([CLS]) 包含了整个句子的表示，所以可以将此表示输入到前馈网络与softmax中，输出类别概率，用于判断这个句子属于哪个类别。此时：

1. 若是使用的Fine-Tune，则在训练过程中，预训练的BERT模型的参数与前馈网络的参数都会得到更新；
2. 若是使用的Feature-Extraction，则在训练过程中，仅有前馈网络的参数会得到更新，预训练的BERT模型的参数不会更新

下面以IMDB数据集为例，介绍BERT fine-tune的方法。

首先引入依赖包、加载数据集、加载预训练的模型：

import tensorflow as tf 
from tensorflow import keras
import tensorflow_datasets as tfds
import numpy as np
from transformers import TFBertForSequenceClassification, BertTokenizerFast

# load dataset
imdb_train, df_info = tfds.load(name='imdb_reviews', split='train', with_info=True, as_supervised=True)
imdb_test = tfds.load(name='imdb_reviews', split='test', as_supervised=True)

# load pretrained bert model
model = TFBertForSequenceClassification.from_pretrained("bert-base-uncased", num_labels=2)
tokenizer = BertTokenizerFast.from_pretrained("bert-base-uncased")

这里需要注意的是，我们使用的是TFBertForSequenceClassification和BertTokenizerFast。TFBertForSequenceClassification是包装好的类，专门用于做分类，由1层bert、1层Dropout、1层前馈网络组成，其定义可以参考官网^[5]。BertTokenizerFast 也是一个方便的tokenizer类，会比BertTokenizer更快一些。

对输入数据做分词：

# tokenize every sequence
def bert_encoder(review):
    encoded = tokenizer(review.numpy().decode('utf-8'), truncation=True, max_length=150, pad_to_max_length=True)
    return encoded['input_ids'], encoded['token_type_ids'], encoded['attention_mask']

bert_train = [bert_encoder(r) for r, l in imdb_train]
bert_label = [l for r, l in imdb_train]

bert_train = np.array(bert_train)
bert_label = tf.keras.utils.to_categorical(bert_label, num_classes=2)

print(bert_train.shape, bert_label.shape) 
(25000, 3, 150) (25000, 2)

训练数据的格式是(sentence, label)，对每个sentence通过BertTokenizerFast做tokenize后，会直接得到input_ids, token_type_ids 以及attention_mask，它们便是需要输入到BERT的格式。最后将它们转为numpy 数组。

bert_train的维度为(25000, 3, 150)，即分别对应了：

1. 数据总条数；
2. 每条数据对应的input_ids、token_type_ids、attention_mask
3. Max_length（指定的长度为150）

将训练集继续分割为训练集与验证集：

# create training and validation splits
from sklearn.model_selection import train_test_split

x_train, x_val, y_train, y_val = train_test_split(bert_train, 
                                         bert_label,
                                         test_size=0.2, 
                                         random_state=42)
print(x_train.shape, y_train.shape)
(20000, 3, 150) (20000, 2)

进一步对输入数据进行处理：

tr_reviews, tr_segments, tr_masks = np.split(x_train, 3, axis=1)
val_reviews, val_segments, val_masks = np.split(x_val, 3, axis=1)

tr_reviews = tr_reviews.squeeze()
tr_segments = tr_segments.squeeze()
tr_masks = tr_masks.squeeze()
val_reviews = val_reviews.squeeze()
val_segments = val_segments.squeeze()
val_masks = val_masks.squeeze()

def example_to_features(input_ids,attention_masks,token_type_ids,y):
    return {"input_ids": input_ids,
          "attention_mask": attention_masks,
          "token_type_ids": token_type_ids},y

train_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((tr_reviews, tr_masks, tr_segments, y_train)).map(example_to_features).shuffle(100).batch(16)
valid_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((val_reviews, val_masks, val_segments, y_val)).map(example_to_features).shuffle(100).batch(16)

TFBertForSequenceClassification的输入格式（除label外的输入）可以以有多种形式提供，这里使用的是字典的形式。具体格式说明可以参考官方文档的说明^[5]。

指定训练参数并进行训练：

optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=2e-5)
loss = tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True)
model.compile(optimizer=optimizer, loss=loss, metrics=['accuracy'])

bert_history = model.fit(train_ds, epochs=4, validation_data=valid_ds)

Epoch 1/4
1250/1250 [==============================] - 701s 551ms/step - loss: 0.4085 - accuracy: 0.8131 - val_loss: 0.3011 - val_accuracy: 0.8718
Epoch 2/4
1250/1250 [==============================] - 689s 551ms/step - loss: 0.2104 - accuracy: 0.9186 - val_loss: 0.3252 - val_accuracy: 0.8858
Epoch 3/4
1250/1250 [==============================] - 689s 551ms/step - loss: 0.1105 - accuracy: 0.9622 - val_loss: 0.4201 - val_accuracy: 0.8816
Epoch 4/4
1250/1250 [==============================] - 689s 551ms/step - loss: 0.0696 - accuracy: 0.9774 - val_loss: 0.4153 - val_accuracy: 0.8876

这里作为演示，仅训练了4轮。从验证集的准确率来看，还有上升的趋势，所以理论上还可以增加epoch轮数。

6. 总结

BERT预训练模型与迁移学习的结合使用，当前仍是NLP各类应用以及比赛的主流。不过，当前我们仅介绍了BERT预训练模型中最基本的一种：bert-base。除此之外，BERT还有很多的变种，例如allbert、roberta、electra、spanbert等等，分别用于不同的场景。下一章我们继续介绍BERT的这些变种。

References

[1] https://github.com/google-research/bert

[2] Pretrained models — transformers 4.11.2 documentation (huggingface.co)

[3] BERT — transformers 4.12.0.dev0 documentation (huggingface.co)

[4] Getting Hands-On with BERT | Getting Started with Google BERT (oreilly.com)

[5]https://huggingface.co/transformers/master/_modules/transformers/models/bert/modeling_tf_bert.html#TFBertForSequenceClassification

[6] https://learning.oreilly.com/library/view/advanced-natural-language/9781800200937/Chapter_4.xhtml

[7] https://huggingface.co/transformers/master/_modules/transformers/models/bert/tokenization_bert_fast.html#BertTokenizerFast