注意力機制中三種掩碼技術(shù)詳解和Pytorch實現(xiàn)
注意力機制是許多最先進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基本組成部分，比如Transformer模型。注意力機制中的一個關(guān)鍵方面是掩碼，它有助于控制信息流，并確保模型適當?shù)靥幚硇蛄小?/p>
在這篇文章中，我們將探索在注意力機制中使用的各種類型的掩碼，并在PyTorch中實現(xiàn)它們。
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，掩碼是一種用于阻止模型使用輸入數(shù)據(jù)中的某些部分的技術(shù)。這在序列模型中尤其重要，因為序列的長度可能會有所不同，且輸入的某些部分可能無關(guān)緊要（例如，填充符）或需要被隱藏（例如，語言建模中的未來內(nèi)容）。
掩碼的類型
填充掩碼 Padding Mask
在深度學(xué)習(xí)中，特別是在處理序列數(shù)據(jù)時，"填充掩碼"（Padding Mask）是一個重要概念。當序列數(shù)據(jù)的長度不一致時，通常需要對短的序列進行填充（padding），以確保所有序列的長度相同，這樣才能進行批處理。這些填充的部分實際上是沒有任何意義的，不應(yīng)該對模型的學(xué)習(xí)產(chǎn)生影響。
序列掩碼 Sequence Mask
序列掩碼用于隱藏輸入序列的某些部分。比如在雙向模型中，想要根據(jù)特定標準忽略序列的某些部分。
前瞻掩碼 Look-ahead Mask
前瞻掩碼，也稱為因果掩碼或未來掩碼，用于自回歸模型中，以防止模型在生成序列時窺視未來的符號。這確保了給定位置的預(yù)測僅依賴于該位置之前的符號。
填充掩碼
填充掩碼就是用來指示哪些數(shù)據(jù)是真實的，哪些是填充的。在模型處理這些數(shù)據(jù)時，掩碼會用來避免在計算損失或者梯度時考慮填充的部分，確保模型的學(xué)習(xí)只關(guān)注于有效的數(shù)據(jù)。在使用諸如Transformer這樣的模型時，填充掩碼特別重要，因為它們可以幫助模型在進行自注意力計算時忽略掉填充的位置。
import torch
def create_padding_mask(seq, pad_token=0):
mask = (seq == pad_token).unsqueeze(1).unsqueeze(2)
return mask # (batch_size, 1, 1, seq_len)
# Example usage
seq = torch.tensor([[7, 6, 0, 0], [1, 2, 3, 0]])
padding_mask = create_padding_mask(seq)
print(padding_mask)
序列掩碼
在使用如Transformer模型時，序列掩碼用于避免在計算注意力分數(shù)時考慮到填充位置的影響。這確保了模型的注意力是集中在實際有意義的數(shù)據(jù)上，而不是無關(guān)的填充數(shù)據(jù)。
RNNs本身可以處理不同長度的序列，但在批處理和某些架構(gòu)中，仍然需要固定長度的輸入。序列掩碼在這里可以幫助RNN忽略掉序列中的填充部分，特別是在計算最終序列輸出或狀態(tài)時。
在訓(xùn)練模型時，序列掩碼也可以用來確保在計算損失函數(shù)時，不會將填充部分的預(yù)測誤差納入總損失中，從而提高模型訓(xùn)練的準確性和效率。
序列掩碼通常表示為一個與序列數(shù)據(jù)維度相同的二進制矩陣或向量，其中1表示實際數(shù)據(jù)，0表示填充數(shù)據(jù)
def create_sequence_mask(seq):
seq_len = seq.size(1)
mask = torch.triu(torch.ones((seq_len, seq_len)), diagonal=1)
return mask # (seq_len, seq_len)
# Example usage
seq_len = 4
sequence_mask = create_sequence_mask(torch.zeros(seq_len, seq_len))
print(sequence_mask)
前瞻掩碼 Look-ahead Mask
前瞻掩碼通過在自注意力機制中屏蔽（即設(shè)置為一個非常小的負值，如負無窮大）未來時間步的信息來工作。這確保了在計算每個元素的輸出時，模型只能使用到當前和之前的信息，而不能使用后面的信息。這種機制對于保持自回歸屬性（即一次生成一個輸出，且依賴于前面的輸出）是必要的。
在實現(xiàn)時，前瞻掩碼通常表示為一個上三角矩陣，其中對角線及對角線以下的元素為0（表示這些位置的信息是可見的），對角線以上的元素為1（表示這些位置的信息是不可見的）。在計算注意力時，這些為1的位置會被設(shè)置為一個非常小的負數(shù)（通常是負無窮），這樣經(jīng)過softmax函數(shù)后，這些位置的權(quán)重接近于0，從而不會對輸出產(chǎn)生影響。
def create_look_ahead_mask(size):
mask = torch.triu(torch.ones(size, size), diagonal=1)
return mask # (seq_len, seq_len)
# Example usage
look_ahead_mask = create_look_ahead_mask(4)
print(look_ahead_mask)Example usage
掩碼之間的關(guān)系
填充掩碼（Padding Mask）和序列掩碼（Sequence Mask）都是在處理序列數(shù)據(jù)時使用的技術(shù)，它們的目的是幫助模型正確處理變長的輸入序列，但它們的應(yīng)用場景和功能有些區(qū)別。這兩種掩碼經(jīng)常在深度學(xué)習(xí)模型中被一起使用，尤其是在需要處理不同長度序列的場景下。
填充掩碼專門用于指示哪些數(shù)據(jù)是填充的，這主要應(yīng)用在輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理和模型的輸入層。其核心目的是確保模型在處理或?qū)W習(xí)過程中不會將填充部分的數(shù)據(jù)當作有效數(shù)據(jù)來處理，從而影響模型的性能。在諸如Transformer模型的自注意力機制中，填充掩碼用于阻止模型將注意力放在填充的序列上。
序列掩碼通常用于更廣泛的上下文中，它不僅可以指示填充位置，還可以用于其他類型的掩蔽，如在序列到序列的任務(wù)中掩蔽未來的信息（如解碼器的自回歸預(yù)測）。序列掩碼可以用于確保模型在處理過程中只關(guān)注于當前及之前的信息，而不是未來的信息，這對于保持信息的時序依賴性非常重要。
充掩碼多用于模型的輸入階段或在注意力機制中排除無效數(shù)據(jù)的影響，序列掩碼則可能在模型的多個階段使用，特別是在需要控制信息流的場景中。
與填充掩碼和序列掩碼不同，前瞻掩碼專門用于控制時間序列的信息流，確保在生成序列的每個步驟中模型只能利用到當前和之前的信息。這是生成任務(wù)中保持模型正確性和效率的關(guān)鍵技術(shù)。
在注意機制中應(yīng)用不同的掩碼
在注意力機制中，掩碼被用來修改注意力得分。
import torch.nn.functional as F
def scaled_dot_product_attention(q, k, v, mask=None):
matmul_qk = torch.matmul(q, k.transpose(-2, -1))
dk = q.size()[-1]
scaled_attention_logits = matmul_qk / torch.sqrt(torch.tensor(dk, dtype=torch.float32))
if mask is not None:
scaled_attention_logits += (mask * -1e9)
attention_weights = F.softmax(scaled_attention_logits, dim=-1)
output = torch.matmul(attention_weights, v)
return output, attention_weights
# Example usage
d_model = 512
batch_size = 2
seq_len = 4
q = torch.rand((batch_size, seq_len, d_model))
k = torch.rand((batch_size, seq_len, d_model))
v = torch.rand((batch_size, seq_len, d_model))
mask = create_look_ahead_mask(seq_len)
attention_output, attention_weights = scaled_dot_product_attention(q, k, v, mask)
print(attention_output)
import torch.nn.functional as F
def scaled_dot_product_attention(q, k, v, mask=None):
matmul_qk = torch.matmul(q, k.transpose(-2, -1))
dk = q.size()[-1]
scaled_attention_logits = matmul_qk / torch.sqrt(torch.tensor(dk, dtype=torch.float32))
if mask is not None:
scaled_attention_logits += (mask * -1e9)
attention_weights = F.softmax(scaled_attention_logits, dim=-1)
output = torch.matmul(attention_weights, v)
return output, attention_weights
# Example usage
d_model = 512
batch_size = 2
seq_len = 4
q = torch.rand((batch_size, seq_len, d_model))
k = torch.rand((batch_size, seq_len, d_model))
v = torch.rand((batch_size, seq_len, d_model))
mask = create_look_ahead_mask(seq_len)
attention_output, attention_weights = scaled_dot_product_attention(q, k, v, mask)
print(attention_output)
我們創(chuàng)建一個簡單的Transformer 層來驗證一下三個掩碼的不同之處：
import torch
import torch.nn as nn
class MultiHeadAttention(nn.Module):
def __init__(self, d_model, num_heads):
super(MultiHeadAttention, self).__init__()
self.num_heads = num_heads
self.d_model = d_model
assert d_model % num_heads == 0
self.depth = d_model // num_heads
self.wq = nn.Linear(d_model, d_model)
self.wk = nn.Linear(d_model, d_model)
self.wv = nn.Linear(d_model, d_model)
self.dense = nn.Linear(d_model, d_model)
def split_heads(self, x, batch_size):
x = x.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.depth)
return x.permute(0, 2, 1, 3)
def forward(self, v, k, q, mask):
batch_size = q.size(0)
q = self.split_heads(self.wq(q), batch_size)
k = self.split_heads(self.wk(k), batch_size)
v = self.split_heads(self.wv(v), batch_size)
scaled_attention, _ = scaled_dot_product_attention(q, k, v, mask)
scaled_attention = scaled_attention.permute(0, 2, 1, 3).contiguous()
original_size_attention = scaled_attention.view(batch_size, -1, self.d_model)
output = self.dense(original_size_attention)
return output
class TransformerLayer(nn.Module):
def __init__(self, d_model, num_heads, dff, dropout_rate=0.1):
super(TransformerLayer, self).__init__()
self.mha = MultiHeadAttention(d_model, num_heads)
self.ffn = nn.Sequential(
nn.Linear(d_model, dff),
nn.ReLU(),
nn.Linear(dff, d_model)
)
self.layernorm1 = nn.LayerNorm(d_model)
self.layernorm2 = nn.LayerNorm(d_model)
self.dropout1 = nn.Dropout(dropout_rate)
self.dropout2 = nn.Dropout(dropout_rate)
def forward(self, x, mask):
attn_output = self.mha(x, x, x, mask)
attn_output = self.dropout1(attn_output)
out1 = self.layernorm1(x + attn_output)
ffn_output = self.ffn(out1)
ffn_output = self.dropout2(ffn_output)
out2 = self.layernorm2(out1 + ffn_output)
return out2
創(chuàng)建一個簡單的模型：
d_model = 512
num_heads = 8
dff = 2048
dropout_rate = 0.1
batch_size = 2
seq_len = 4
x = torch.rand((batch_size, seq_len, d_model))
mask = create_padding_mask(torch.tensor([[1, 2, 0, 0], [3, 4, 5, 0]]))
transformer_layer = TransformerLayer(d_model, num_heads, dff, dropout_rate)
output = transformer_layer(x, mask)然后在Transformer層上運行我們上面介紹的三個掩碼。
def test_padding_mask():
seq = torch.tensor([[7, 6, 0, 0], [1, 2, 3, 0]])
expected_mask = torch.tensor([[[[0, 0, 1, 1]]], [[[0, 0, 0, 1]]]])
assert torch.equal(create_padding_mask(seq), expected_mask)
print("Padding mask test passed!")
def test_sequence_mask():
seq_len = 4
expected_mask = torch.tensor([[0, 1, 1, 1], [0, 0, 1, 1], [0, 0, 0, 1], [0, 0, 0, 0]])
assert torch.equal(create_sequence_mask(torch.zeros(seq_len, seq_len)), expected_mask)
print("Sequence mask test passed!")
def test_look_ahead_mask():
size = 4
expected_mask = torch.tensor([[0, 1, 1, 1], [0, 0, 1, 1], [0, 0, 0, 1], [0, 0, 0, 0]])
assert torch.equal(create_look_ahead_mask(size), expected_mask)
print("Look-ahead mask test passed!")
def test_transformer_layer():
d_model = 512
num_heads = 8
dff = 2048
dropout_rate = 0.1
batch_size = 2
seq_len = 4
x = torch.rand((batch_size, seq_len, d_model))
mask = create_padding_mask(torch.tensor([[1, 2, 0, 0], [3, 4, 5, 0]]))
transformer_layer = TransformerLayer(d_model, num_heads, dff, dropout_rate)
output = transformer_layer(x, mask)
assert output.size() == (batch_size, seq_len, d_model)
print("Transformer layer test passed!")
test_padding_mask()
test_sequence_mask()
test_look_ahead_mask()
test_transformer_layer()結(jié)果和上面我們單獨執(zhí)行是一樣的，所以得到如下結(jié)果
總結(jié)
最后我們來做個總結(jié)，在自然語言處理和其他序列處理任務(wù)中，使用不同類型的掩碼來管理和優(yōu)化模型處理信息的方式是非常關(guān)鍵的。這些掩碼主要包括填充掩碼、序列掩碼和前瞻掩碼，每種掩碼都有其特定的使用場景和目的。
1.填充掩碼（Padding Mask）：
- 目的：確保模型在處理填充的輸入數(shù)據(jù)時不會將這些無關(guān)的數(shù)據(jù)當作有效信息處理。
- 應(yīng)用：主要用于處理因數(shù)據(jù)長度不一致而進行的填充操作，在模型的輸入層或注意力機制中忽略這些填充數(shù)據(jù)。
- 功能：幫助模型集中于實際的、有效的輸入數(shù)據(jù)，避免因為處理無意義的填充數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的性能下降。
2.序列掩碼（Sequence Mask）：
- 目的：更廣泛地控制模型應(yīng)該關(guān)注的數(shù)據(jù)部分，包括但不限于填充數(shù)據(jù)。
- 應(yīng)用：用于各種需要精確控制信息流的場景，例如在遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Transformer模型中管理有效數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)。
- 功能：通過指示哪些數(shù)據(jù)是有效的，哪些是填充的，幫助模型更有效地學(xué)習(xí)和生成預(yù)測。
3.前瞻掩碼（Look-ahead Mask）：
- 目的：防止模型在生成序列的過程中“看到”未來的信息。
- 應(yīng)用：主要用在自回歸模型如Transformer的解碼器中，確保生成的每個元素只能依賴于之前的元素。
- 功能：保證模型生成信息的時序正確性，防止在生成任務(wù)中出現(xiàn)信息泄露，從而維持生成過程的自然和準確性。
這些掩碼在處理變長序列、保持模型效率和正確性方面扮演著重要角色，是現(xiàn)代深度學(xué)習(xí)模型不可或缺的一部分。在設(shè)計和實現(xiàn)模型時，合理地使用這些掩碼可以顯著提高模型的性能和輸出質(zhì)量。
