【人工智能概论】 自注意力机制（Self-Attention）

【人工智能概论】 自注意力机制（Self-Attention）

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一.为什么要引入自注意力机制？其能用于何处？

1. 引入自注意力机制的最初想法是：处理向量序列，且这个向量序列的长度一般是不固定的。如，NLP领域相关任务。
2. 常见的序列表示法

• one-hot编码
• word-embedding：包含语义信息，相近语义的向量（词）在欧式空间上更为接近。

1. 展开举例

• 对一句话中的每个词进行词性判别。（n V n）
• 语音识别，机器翻译。（n V m）(seq2seq)
• Graph也是向量，如社交网络图，每个节点即一个人，节点间有关系，每个节点可以用一个向量来表示，向量中包含个人信息，可以推断两个节点间的关系。（n V 1）
• 一个分子：分子上每个原子都可以用向量来表示，且各个分子间是有关系的，比如判别这个分子对应的是不是新冠抗原。（n V 1）

不难发现实际上自注意力机制的用途是是十分广泛的，不仅限于对文字，语言的处理，对各种向量序列都有一定的应用潜力。

1. 接下来以Lequence Labeling为例

• 对一句话中的每个词做词性判断，显然如果对每个词做全链接分类也是能有一定结果的，但这样是孤立的，缺少上下文信息的。如，“意思一下，小意思。” 中每个意思是什么词性。
• 要引入下文信息，或许可以用RNN相关技术解决，但RNN相关技术的并行运算与长程依赖问题是十分严重的。
• 这就要引出本文的主题——自注意力机制（Self-Attention）

二. 引入自注意力机制后例子的简要流程

• 如上图，这样得到的结果不再是类似RNN技术下，只考虑小窗口信息的产物，而是完整考察了整个序列的上下文信息的结果。
• self-attention可以叠加多次
• 看不懂没关系后面才是重点。

三. 自注意力机制的工作原理

• 现在，self-attention似乎是一个黑盒子，它的效果大致如下图，输入输出是一一对应的，且输出是包含输入的上下文信息的。
• 以b1向量的生成为例来剖析self-attention。

• step1：找出输入序列里每个向量ai与a1之间的关联程度α1i（标量），例，α12表示a1与a2之间的关联度。 如何确定两个向量间的关联性？方法有很多，此处举两个常见的例子。 一般关联度α都是一个较大的数，为计算方便，一般会将它们通过softmax限制到一个较小的范围。
• step2：根据关联分数来抽取上下文信息，即得到bi。 注：vi也是类似q和k一样是Wv*ai得到的。实际上获取vi的方法也有很多，但一定要保证是与ai有关的。

• 至此就得到了b1,类似的b2、b3、b4也可以算得。此时bi就可以替代ai了，bi融合了上下文信息与本义，相对于ai来说有很大优势。
• 与RNN系列不同，b1到b4的计算不用按顺序计算，因此可以并行运算。又b1到b4的生成与整个序列中的每个向量相关，可以有效的避免RNN系列的长程依赖问题。
• 上面所涉及的运算大多都是矩阵运算，Wq、Wk、Wv都是待训练参数矩阵，它们对每个输入向量都共享；q、k、v、a、b都是向量；只有α是标量。

四.自注意力机制的矩阵运算（并行运算）

• 将输入的向量序列组成一个矩阵，例如下图。
• step1：求q、k、v

• step2：采用点乘方式求相关分数
• step3：获得输出数据

注：O中的每一列就是一个bi。

看起来很难搞实际上要学的参数只有Wq、Wk、Wv三组参数矩阵。

五.多头自注意力机制（Multi-head self-attention）简介

• 为什么用多头？什么是多头？
• 类比多个卷积核，一个卷积核抽取一种特征，同理一个头也是抽取一种相关关系。
• 实际上所谓的多头，只不过是多做几次自注意，多找几组相关关系罢了。

六.位置编码

• 尽管注意力机制能够克服RNN技术的两大缺点，但实际上此时得到的bi仍不完美，它缺少该向量在序列中的位置信息。
• 因此 ，引入一种名为Positional Encoding的技术。
• 即为每一个位置设定一个向量ei，用于记录位置信息，然后把ei和ai简单相加即可。
• 这个ei是人为设定的，而非学习所得的。（有点技术含量）
• Positional Encoding技术有很多种，但目前没有明确的最优方法。

七.self-attention的衍生技术（应用）

1. Truncated self-attention

• 其对处理语音信号有不错的效果，为应对语音序列过长的特点，它采用了窗口的思路，每次只截取部分做自注意，算是一种妥协的产物，但对于长序列问题来说确实是行之有效的。

1. Detection Ttansformer(DETR)——应用于图像领域的self-attention

• 众所周知，self-attention是处理向量序列的，而图像展平后，也可以视为向量序列，每个向量即为一个像素（包含RGB通道信息），图片就是由这样的向量组成的序列。
• 注：此处也是忽略了位置信息，也可以引入Postional Encoding
• Detection Ttansformer(DETR)就有类似的想法。
• 图片做序列不是没有依据的，拉平用DNN做分类时，不就是把图片当序列了么。

八.self-attention V.S. 不同的网络

1. self-attention V.S. CNN

• self-attention比CNN考虑的范围更加广泛、全面，因为它考虑的是整张图的信息，而非CNN那种人为设定好的窗口大小。
• 但self-attention会受到数据量的约束，CNN、self-attention都有巨大的应用空间。
• CNN可以视为简化版的self-attention。

1. self-attention V.S. RNN

• 前者基本可以很好的完成后者的所有工作，因此毫无可比性。

1. self-attention V.S. graph

• 显然self-attention不仅可以知道每个节点（向量）的信息，还可以很好的记录节点间的关系。
• 而如果同时引入graph的信息，关联性获取可能变得容易。
• 例，已知下图，显然5只与2、4、7直接有关，因此对于5来说可以只求它们之间的注意力分数。

• 这也是一种GNN

九.自注意力机制的小小展望

• 如何减少其计算量，Positional Encoding都是可以深入探索的。