RNN及其变体LSTM和GRU

对于文本和语音这样的序列化数据而言，循环神经网络（RNN）是非常高效的深度学习模型。RNN的变体，特别是长短时记忆（LSTM）网络和门控循环单元（GRU），在自然语言处理（NLP）任务中得到了广泛应用。

然而，尽管在语言建模、机器翻译、语言识别、情感分析、阅读理解、视频分析等任务中表现出色，RNN仍然是“黑盒”，难以解释和理解。

有鉴于此，香港科技大学的Yao Ming等提出了一种新的可视化分析系统RNNVis，基于RNNVis，可以更好地可视化用于NLP任务的RNN网络，理解RNN的隐藏记忆。

在介绍RNNVis系统之前，先让我们温习一下RNN及其变体LSTM和GRU.

RNN及其变体

循环神经网络

如上图所示，原始RNN接受序列化输入{x(0), ...,x(T)}，并维护一个基于时间的隐藏状态向量h(t)。在第t步，模型接受输入x(t)，并据下式更新隐藏状态h(t-1)至h(t)：

其中，W、V为权重矩阵而f是非线性激活函数。上图中，f为tanh.

h(t)可直接用作输出，也可以经后续处理后用作输出。比如，在分类问题中，对隐藏状态应用softmax运算后输出概率分布：

长短时记忆网络

和原始RNN不同，LSTM除了维护隐藏状态h(t)外，还维护另一个称为细胞状态（cell state）的记忆向量c(t)。此外，LSTM使用输入门i(t)、遗忘门f(t)、输出门o(t)显式地控制h(t)、c(t)的更新。三个门向量通过如下方法计算：

细胞状态和隐藏状态则通过如下方法计算：

上面的第一个公式为候选细胞状态。

基于细胞状态和门向量，相比原始RNN，LSTM能维持更久的信息。

门控循环单元

相比LSTM，GRU要简单一点。GRU只使用隐藏状态向量h(t)，和两个门向量，更新门z(t)、重置门r(t)：

在更新隐藏状态之前，GRU会先使用重置门计算候选隐藏状态：

多层模型

为了增加表示能力，直接堆叠RNN网络可得到多层RNN模型：

其中，h0(t)=x(t)

类似地，LSTM和GRU也可以通过堆叠得到多层模型。

协同聚类可视化二分图

还记得我们之前提到，对隐藏状态进行后续处理（例如softmax）可以输出分类的概率分布吗？

上式可以分解为乘积：

其中，∆h(t)可以解读为模型对输入单词t的反应。

相应地，模型对输入单词w的反应的期望可以通过下式计算：

其中，x为单词w的嵌入向量，s(x)i表示hi和w之间的关系。s(x)i的绝对值较大，意味着x对hi较重要。基于足够的数据，我们可以据下式估计反应的期望：

下图为一个双层LSTM对三个不同的单词的反应分布。该LSTM每层有600个细胞状态单元，基于Penn Tree Bank（PTB）数据集训练。我们可以看到，模型对介词（“for”）和代词（“he”、“she”）的反应模式大不相同。

基于前述期望反应，每个单词可以计算出n个隐藏单位的期望反应，同时，每个隐藏单元可以计算出对n个单词的期望反应。如果将单词和隐藏单元看作节点，这一多对多关系可以建模为二分图G = (Vw, Vh, E)。其中，Vw和Vh分别为单词和隐藏节点的集合。而E为加权边：

要可视化分析二分图，很自然地就想到使用协同聚类。

从上图我们可以看到，功能类似的单词倾向于聚类在一起。

RNNVis

以上述可视化分析技术为核心，论文作者构建了RNNVis可视化系统：

如上图所示，RNNVis包含3个主要模块：

模型管理器使用TensorFlow框架构建、训练和测试RNN模型。用户可以通过编辑配置文件修改模型的架构。

RNN评估器分析训练好的模型，提取隐藏状态中学习到的表示，并进一步处理评估结果以供可视化。同时，它也能够提供单词空间中每个隐藏状态的解释。

交互式可视化用户可以在主界面点击单词或记忆单元，以查看详情。另外，用户也可以调整可视化风格。

上图为详情页面。箱形图显示，第48维和第123维都捕捉到了像“buy”（“买”）和“sell”（“卖”）这样的动词，尽管两者的符号不同。另外，这一详情界面也表明，LSTM网络能够理解单词的语法功能。

比较不同模型

除了用于理解单个模型的隐藏记忆，RNNVis还可以用来比较两个模型：

上图比较了原始RNN和LSTM。无论是记忆单元的饱和度(B和E)，还是具体的响应历史（C和D），都反映了RNN比LSTM更密集地更新隐藏记忆。换句话说，LSTM对输入的反应更加稀疏。详情页面基于单个单词的比较也印证了这一点（G和H）。

LSTM相比RNN更“懒惰”，这可能是它在长期记忆方面胜过RNN的原因。

比较同一模型的不同层

除了用来比较不同模型，RNNVis还可以用来比较同一模型的不同层。

对CNN的可视化研究揭示了，CNN使用不同层捕捉图像中不同层次的结构。初始层捕捉较小的特征，例如边缘和角落，而接近输出的层学习识别更复杂的结构，以表达不同的分类。

图片来源：arXiv:1710.10777

而关于RNN及其变体不同层的作用，研究较少。一个自然的假想是初始层学习抽象表示，而后续层更多地学习特定任务的表示。

从上图我们可以看到，第0层的“记忆芯片”的尺寸比第1层更均匀。另一方面，第1层的单词云中单词的颜色更一致。也就是说，第1层的单词云的质量比第0层更高。这意味着第0层对不同单词的用法的把握更模糊，而第1层在识别不同功能的单词方面更聪明。

分别点击两层中的单词“thou”，我们可以看到，相比第0层（C1），第1层对单词“thou”的反应更稀疏（C2）。在其他单词上也有类似的现象。对于语言建模而言，这样的稀疏性有助于最后层，在最后层，输出通过softmax直接投影到一个巨大的单词空间（包含数千单词）。

如此，我们通过可视化印证了之前的假想，模型使用第一层构建抽象表示，使用最后一层表达更为任务相关的表示。

案例研究

论文作者通过两个案例试验了RNNVis的效果。

情感分析

论文作者使用的数据集是Yelp Data Challenge，该数据集包含四百万餐馆点评及评分（一分到五分）。评分正好可以视为点评的标签。为了简化问题，论文作者预处理了五个标签，将其归并为两个标签，其中，一分、二分映射为“消极”，四分、五分映射为“积极”，三分的点评不计在内。同样是为了简化问题，只使用了原数据集的一个子集，2万条长度小于100个单词的点评。然后按照80/10/10的百分比分割训练/验证/测试集。

所用网络为单层GRU，包含50个细胞状态，在验证集和测试集上分别达到了89.5%和88.6%的精确度。

从上图的单词云可以看到，GRU可以理解单词的极性。上面的云包含“never”、“not”之类的消极单词，而下面的云包含“love”、“awesome”、“helpful”之类的积极单词。

另外，上图分析的是两个不同的转折句：

I love the food, though the staff is not helpful. （我喜欢食物，不过服务人员不热情。）

The staff is not helpful, though I love the food. （服务人员不热情，不过我喜欢食物。）

从上图可以看到，GRU对同一个单词“though”的反应不同，第一个句子中的“though”导致隐藏状态的更新更多，也就是说，GRU对消极情绪更敏感。

另一方面，数据集中许多消极单词，比如“bad”（“糟”）和“worst”（“最糟”）并没有出现在可视化之中。

这两点暗示GRU在积极点评和消极点评上的表现可能不一样。论文作者检查了数据集，发现数据集并不均衡，积极点评与消极点评的比例接近3:1。基于过采样技术，得到了均衡的数据集。在该数据集上重新训练的GRU模型，表现提升了，在验证集和测试集上分别达到了91.52%和91.91%的精确度。

可视化新模型后，单词云（C）包含更多情绪强烈的单词，比如消极单词云中的“rude”（粗鲁）、“worst”（最糟）、“bad”（糟），和积极单词云中的“excellent”（极好）、“delicious”（美味）、“great”（棒）。详情页面（A）显示，模型对“excellent”和“worst”具备完全相反的反应模式。

莎士比亚著作

论文作者使用莎士比亚的著作（包含一百万单词）构建了一个语言建模数据集（词汇量一万五千）。数据集按80/10/10百分比分为训练/验证/测试数据集。

研究人员使用小、中、大三个规模的LSTM网络。

下面的评估和可视化结果属于中等规模的LSTM网络，不过，其他两个LSTM网络上的结果与此类似。

莎士比亚的语言混杂了新旧两个时期的英语。而从上图我们可以看到，“hath”、“dost”、“art”和“have”、“do”、“are”位于同一片单词云中。这说明，模型能够学习这些用途相似的助词，不管它们是来自古英语还是现代英语。详情界面印证了这一点，成对的新词和旧词具有相应的反应模式。

上图中有一个例外，是“thou”和“you”。这是因为在莎士比亚时期，“thou”和“you”的用法有细微的差别，“thou”为单数，常用于非正式场合，而“you”为复数，更正式、更礼貌。

以后的工作

论文作者计划部署一个RNNVis的线上版本，并增加更多RNN模型的量化指标以提升可用性。

由于可视化分析技术基于文本的离散输入空间，RNNVis只适用于分析用于文本的RNN系列模型。分析用于音频应用的RNN模型尚需构建可解释的表示。

当前RNNVis的瓶颈在于协同聚类的效率和质量，可能导致交互时的延迟。

另外，目前RNNVis还不能可视化一些特化的RNN变体，比如记忆网络（memory network）或注意力模型（attention model）。支持这些RNN变体需要对RNNVis进行扩展。