深度学习--Lstm+CNN 文本分类

本文从实践的角度,来讲一下如何构建LSTM+CNN的模型对文本进行分类。

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RNN网络与CNN网络可以分别用来进行文本分类。RNN网络在文本分类中,作用是用来提取句子的关键语义信息,根据提取的语义对文本进行区分;CNN的作用是用来提取文本的特征,根据特征进行分类。LSTM+CNN的作用,就是两者的结合,首先抽取文本关键语义,然后对语义提取关键特征。
需要了解CNN基本原理:https://zhuanlan.zhihu.com/p/28173972
需要了解RNN基本原理:https://www.jianshu.com/p/32d3048da5ba
个人认为基础知识讲解的还不错的博客。

数据来源

本实验是使用THUCNews的一个子集进行训练与测试,数据集请自行到THUCTC:一个高效的中文文本分类工具包下载,请遵循数据提供方的开源协议;
文本类别涉及10个类别:categories = [‘体育’, ‘财经’, ‘房产’, ‘家居’, ‘教育’, ‘科技’, ‘时尚’, ‘时政’, ‘游戏’, ‘娱乐’],每个分类6500条数据;
cnews.train.txt: 训练集(500010)
cnews.val.txt: 验证集(500
10)
cnews.test.txt: 测试集(1000*10)

文本预处理

本文的预处理过程与文本分类–CNN大部分相同,其中有两处不同。
1.在CNN分类中,文本的长度padding到了600;本次padding到了300。
2.针对动态RNN的特点,增加计算每个batch中句子的真实长度。
代码如下:

def seq_length(x_batch):
    real_seq_len = []
    for line in x_batch:
        real_seq_len.append(np.sum(np.sign(line)))
return real_seq_len

LSTM模型中的处理

定义占位符

        self.input_x = tf.placeholder(tf.int32, shape=[None, pm.seq_length], name='input_x')
        self.input_y = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, pm.num_classes], name='input_y')
        self.length = tf.placeholder(tf.int32, shape=[None], name='rnn_length')
        self.keep_pro = tf.placeholder(tf.float32, name='dropout')
        self.global_step = tf.Variable(0, trainable=False, name='global_step')

embedding层

使用预训练词向量。

        with tf.device('/cpu:0'), tf.name_scope('embedding'):
            self.embedding = tf.get_variable("embeddings", shape=[pm.vocab_size, pm.embedding_dim],
                                             initializer=tf.constant_initializer(pm.pre_trianing))
            embedding_input = tf.nn.embedding_lookup(self.embedding, self.input_x)

LSTM层

        with tf.name_scope('LSTM'):
            cell = tf.nn.rnn_cell.LSTMCell(pm.hidden_dim, state_is_tuple=True)
            Cell = tf.contrib.rnn.DropoutWrapper(cell, self.keep_pro)
            output, _ = tf.nn.dynamic_rnn(cell=Cell, inputs=embedding_input, sequence_length=self.length, dtype=tf.float32)

以上为LSTM+CNN文本分类中,LSTM的环节。针对动态RNN的情形,一般来说,只需将每个batch中的句子padding到等长即可,但为了迁就CNN模型,所以须将所有句子padding到等长,计算batch中句子的真实长度,是动态RNN部分需要的,告诉动态RNN真实句子是多长,这样可以将填充的部分输出为0,不会将额外的信息带到CNN层中。

CNN层

为了将LSTM输出的结果是三维的tensor,而我们进行conv2d的CNN操作,需要四维tensor,故第一步是扩展维度。CNN环节参考文本分类–CNN

        with tf.name_scope('CNN'):
            outputs = tf.expand_dims(outputs, -1) #[batch_size, seq_length, hidden_dim, 1]
            pooled_outputs = []
            for i, filter_size in enumerate(pm.filters_size):
                filter_shape = [filter_size, pm.hidden_dim, 1, pm.num_filters]
                w = tf.Variable(tf.truncated_normal(filter_shape, stddev=0.1), name='w')
                b = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[pm.num_filters]), name='b')
                conv = tf.nn.conv2d(outputs, w, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID', name='conv')
                h = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv, b), name='relu')

                pooled = tf.nn.max_pool(h, ksize=[1, pm.seq_length-filter_size+1, 1, 1],
                                        strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID', name='pool')
                pooled_outputs.append(pooled)
            output_ = tf.concat(pooled_outputs, 3)
            self.output = tf.reshape(output_, shape=[-1, 3*pm.num_filters])

全连接层

将CNN输出结果进行dropout与全连接进行相连。

        with tf.name_scope('output'):
            out_final = tf.nn.dropout(self.output, keep_prob=self.keep_pro)
            o_w = tf.Variable(tf.truncated_normal([3*pm.num_filters, pm.num_classes], stddev=0.1), name='o_w')
            o_b = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[pm.num_classes]), name='o_b')
            self.logits = tf.matmul(out_final, o_w) + o_b
            self.predict = tf.argmax(tf.nn.softmax(self.logits), 1, name='score')

Loss

这里使用softmax交叉熵求loss, logits=self.scores 这里一定用的是未经过softmax处理的数值。

        with tf.name_scope('loss'):
            cross_entropy = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(logits=self.logits, labels=self.input_y)
            self.loss = tf.reduce_mean(cross_entropy)

optimizer

这里使用了梯度裁剪。首先计算梯度,这个计算是类似L2正则化计算w的值,也就是求平方再平方根。然后与设定的clip裁剪值进行比较,如果小于等于clip,梯度不变;如果大于clip,则梯度*(clip/梯度L2值)。

        with tf.name_scope('optimizer'):
            # 退化学习率 learning_rate = lr*(0.9**(global_step/10);staircase=True表示每decay_steps更新梯度
            # learning_rate = tf.train.exponential_decay(self.config.lr, global_step=self.global_step,
            # decay_steps=10, decay_rate=self.config.lr_decay, staircase=True)
            # optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate)
            # self.optimizer = optimizer.minimize(self.loss, global_step=self.global_step) #global_step 自动+1
            # no.2
            optimizer = tf.train.AdamOptimizer(pm.learning_rate)
            gradients, variables = zip(*optimizer.compute_gradients(self.loss))  # 计算变量梯度,得到梯度值,变量
            gradients, _ = tf.clip_by_global_norm(gradients, pm.clip)
            # 对g进行l2正则化计算,比较其与clip的值,如果l2后的值更大,让梯度*(clip/l2_g),得到新梯度
            self.optimizer = optimizer.apply_gradients(zip(gradients, variables), global_step=self.global_step)
           # global_step 自动+1

accuracy

最后,计算模型的准确度。

        with tf.name_scope('accuracy'):
            correct = tf.equal(self.predict, tf.argmax(self.input_y, 1))
            self.accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct, tf.float32), name='accuracy')

训练模型

global_step为100的倍数时,输出当前batch的训练loss,训练accuracy,在测试batch上的loss,accuracy;并每迭代完一次,保存一次模型。

    x_train, y_train = process(pm.train_filename, wordid, cat_to_id, max_length=300)
    x_test, y_test = process(pm.test_filename, wordid, cat_to_id, max_length=300)
    for epoch in range(pm.num_epochs):
        print('Epoch:', epoch+1)
        num_batchs = int((len(x_train) - 1) / pm.batch_size) + 1
        batch_train = batch_iter(x_train, y_train, batch_size=pm.batch_size)
        for x_batch, y_batch in batch_train:
            real_seq_len = seq_length(x_batch)
            feed_dict = model.feed_data(x_batch, y_batch, real_seq_len, pm.keep_prob)
            _, global_step, _summary, train_loss, train_accuracy = session.run([model.optimizer, model.global_step, merged_summary,
                                                                                model.loss, model.accuracy], feed_dict=feed_dict)
            if global_step % 100 == 0:
                test_loss, test_accuracy = model.test(session, x_test, y_test)
                print('global_step:', global_step, 'train_loss:', train_loss, 'train_accuracy:', train_accuracy,
                      'test_loss:', test_loss, 'test_accuracy:', test_accuracy)

            if global_step % num_batchs == 0:
                print('Saving Model...')
                saver.save(session, save_path, global_step=global_step)

《深度学习--Lstm+CNN 文本分类》 训练结果

由于小霸王运行非常吃力,因此只进行了3次迭代。但从迭代的效果来看,结果很理想。在训练集的batch中最好达到100%,同时测试集达到100%准确。

验证模型

验证集有5000条语句,我用最后一次保存的模型,对5000条句子进行预测,将预测的结果与原标签进行对比,得到验证集上的准确率,结果表明在整个验证集上准确达到97.7%,并输出前10条语句,将预测结果与原结果进行对比。

def val():

    pre_label = []
    label = []
    session = tf.Session()
    session.run(tf.global_variables_initializer())
    save_path = tf.train.latest_checkpoint('./checkpoints/Lstm_CNN')
    saver = tf.train.Saver()
    saver.restore(sess=session, save_path=save_path)

    val_x, val_y = process(pm.val_filename, wordid, cat_to_id, max_length=pm.seq_length)
    batch_val = batch_iter(val_x, val_y, batch_size=64)
    for x_batch, y_batch in batch_val:
        real_seq_len = seq_length(x_batch)
        feed_dict = model.feed_data(x_batch, y_batch, real_seq_len, 1.0)
        pre_lab = session.run(model.predict, feed_dict=feed_dict)
        pre_label.extend(pre_lab)
        label.extend(y_batch)
    return pre_label, label

《深度学习--Lstm+CNN 文本分类》 验证结果

整个模型的流程,分析完毕。因学识有限,文中难免有描述不对的地方,请各位批评指正。

    原文作者:Nlp_小菜
    原文地址: https://www.jianshu.com/p/cb3f7ccaedf9
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