BERT模型中的嵌入后处理与注意力掩码

摘要

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）是一种强大的预训练模型，广泛应用于自然语言处理任务。本文将详细介绍BERT模型中的两个重要组件：嵌入后处理和注意力掩码的创建。通过理解这些组件的工作原理，读者可以更好地掌握BERT模型的内部机制，并在实际应用中进行优化和调整。

1. 引言

BERT模型的核心在于其强大的嵌入表示能力和多头自注意力机制。在模型的输入阶段，嵌入后处理是一个重要的步骤，它包括词嵌入、段嵌入和位置嵌入的叠加。此外，注意力掩码的创建也是确保模型正确处理序列数据的关键。本文将详细介绍这两个组件的实现。

2. 嵌入后处理

2.1 函数定义

python 复制代码

def embedding_postprocessor(input_tensor,
                            use_token_type=False,
                            token_type_ids=None,
                            token_type_vocab_size=16,
                            token_type_embedding_name="token_type_embeddings",
                            use_position_embeddings=True,
                            position_embedding_name="position_embeddings",
                            initializer_range=0.02,
                            max_position_embeddings=512,
                            dropout_prob=0.1):
  """Performs various post-processing on a word embedding tensor.

  Args:
    input_tensor: float Tensor of shape [batch_size, seq_length, embedding_size].
    use_token_type: bool. Whether to add embeddings for `token_type_ids`.
    token_type_ids: (optional) int32 Tensor of shape [batch_size, seq_length].
      Must be specified if `use_token_type` is True.
    token_type_vocab_size: int. The vocabulary size of `token_type_ids`.
    token_type_embedding_name: string. The name of the embedding table variable
      for token type ids.
    use_position_embeddings: bool. Whether to add position embeddings for the
      position of each token in the sequence.
    position_embedding_name: string. The name of the embedding table variable
      for positional embeddings.
    initializer_range: float. Range of the weight initialization.
    max_position_embeddings: int. Maximum sequence length that might ever be
      used with this model. This can be longer than the sequence length of
      input_tensor, but cannot be shorter.
    dropout_prob: float. Dropout probability applied to the final output tensor.

  Returns:
    float tensor with same shape as `input_tensor`.

  Raises:
    ValueError: One of the tensor shapes or input values is invalid.
  """
  input_shape = get_shape_list(input_tensor, expected_rank=3)
  batch_size = input_shape[0]
  seq_length = input_shape[1]
  width = input_shape[2]

  output = input_tensor

  if use_token_type:
    if token_type_ids is None:
      raise ValueError("`token_type_ids` must be specified if"
                       "`use_token_type` is True.")
    token_type_table = tf.get_variable(
        name=token_type_embedding_name,
        shape=[token_type_vocab_size, width],
        initializer=create_initializer(initializer_range))
    flat_token_type_ids = tf.reshape(token_type_ids, [-1])
    one_hot_ids = tf.one_hot(flat_token_type_ids, depth=token_type_vocab_size)
    token_type_embeddings = tf.matmul(one_hot_ids, token_type_table)
    token_type_embeddings = tf.reshape(token_type_embeddings,
                                       [batch_size, seq_length, width])
    output += token_type_embeddings

  if use_position_embeddings:
    assert_op = tf.assert_less_equal(seq_length, max_position_embeddings)
    with tf.control_dependencies([assert_op]):
      full_position_embeddings = tf.get_variable(
          name=position_embedding_name,
          shape=[max_position_embeddings, width],
          initializer=create_initializer(initializer_range))
      position_embeddings = tf.slice(full_position_embeddings, [0, 0],
                                     [seq_length, -1])
      num_dims = len(output.shape.as_list())
      position_broadcast_shape = []
      for _ in range(num_dims - 2):
        position_broadcast_shape.append(1)
      position_broadcast_shape.extend([seq_length, width])
      position_embeddings = tf.reshape(position_embeddings,
                                       position_broadcast_shape)
      output += position_embeddings

  output = layer_norm_and_dropout(output, dropout_prob)
  return output

2.2 功能解析

输入张量形状检查 ：首先，函数检查输入张量的形状是否符合预期（即 [batch_size, seq_length, embedding_size]）。
段嵌入 ：如果 use_token_type 为 True，则添加段嵌入。段嵌入用于区分不同句子的标记。
位置嵌入 ：如果 use_position_embeddings 为 True，则添加位置嵌入。位置嵌入用于编码每个标记在序列中的位置信息。
层归一化和dropout：最后，对输出张量进行层归一化和dropout处理，以提高模型的泛化能力。

3. 注意力掩码的创建

3.1 函数定义

python 复制代码

def create_attention_mask_from_input_mask(from_tensor, to_mask):
  """Create 3D attention mask from a 2D tensor mask.

  Args:
    from_tensor: 2D or 3D Tensor of shape [batch_size, from_seq_length, ...].
    to_mask: int32 Tensor of shape [batch_size, to_seq_length].

  Returns:
    float Tensor of shape [batch_size, from_seq_length, to_seq_length].
  """
  from_shape = get_shape_list(from_tensor, expected_rank=[2, 3])
  batch_size = from_shape[0]
  from_seq_length = from_shape[1]

  to_shape = get_shape_list(to_mask, expected_rank=2)
  to_seq_length = to_shape[1]

  to_mask = tf.cast(
      tf.reshape(to_mask, [batch_size, 1, to_seq_length]), tf.float32)

  broadcast_ones = tf.ones(
      shape=[batch_size, from_seq_length, 1], dtype=tf.float32)

  mask = broadcast_ones * to_mask

  return mask

3.2 功能解析

输入张量形状检查 ：首先，函数检查 from_tensor 和 to_mask 的形状是否符合预期。
重塑和类型转换 ：将 to_mask 重塑为 [batch_size, 1, to_seq_length] 并转换为浮点数。
广播和乘法 ：创建一个全1的张量 broadcast_ones，形状为 [batch_size, from_seq_length, 1]。然后将 broadcast_ones 与 to_mask 相乘，得到最终的注意力掩码。

4. 应用示例

假设我们有一个输入张量 input_tensor 和一个输入掩码 input_mask，我们可以使用上述函数进行嵌入后处理和注意力掩码的创建：

python 复制代码

import tensorflow as tf

# 假设的输入张量和掩码
input_tensor = tf.random.uniform([2, 10, 128])
input_mask = tf.constant([[1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
                          [1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0]], dtype=tf.int32)

# 嵌入后处理
output_tensor = embedding_postprocessor(
    input_tensor=input_tensor,
    use_token_type=True,
    token_type_ids=tf.zeros_like(input_mask),
    use_position_embeddings=True,
    initializer_range=0.02,
    max_position_embeddings=512,
    dropout_prob=0.1
)

# 注意力掩码的创建
attention_mask = create_attention_mask_from_input_mask(input_tensor, input_mask)

with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    output_tensor_val, attention_mask_val = sess.run([output_tensor, attention_mask])
    print("Output Tensor Shape:", output_tensor_val.shape)
    print("Attention Mask Shape:", attention_mask_val.shape)

5. 结论

本文详细介绍了BERT模型中的嵌入后处理和注意力掩码的创建。通过这些组件，BERT模型能够有效地处理自然语言任务中的输入数据，并生成高质量的嵌入表示。希望本文能为读者在自然语言处理领域的研究和开发提供有益的参考。