注意力機(jī)制（Attention）已經(jīng)成為深度學(xué)習(xí)必學(xué)內(nèi)容之一，無(wú)論是計(jì)算機(jī)視覺(jué)還是自然語(yǔ)言處理都可以看到各種各樣注意力機(jī)制的方法。之前我們?cè)谝黄韶浳恼隆蛾P(guān)于深度學(xué)習(xí)中的注意力機(jī)制，這篇文章從實(shí)例到原理都幫你參透了》中，從實(shí)例到原理幫助大家參透注意力機(jī)制的工作原理。今天，我們將再度為大家梳理全部理論要點(diǎn)，是大家學(xué)習(xí)的必備資料之一，并為后續(xù)掌握最新流行的注意力機(jī)制保駕護(hù)航。

在本篇博客中，作者不僅概述了注意力機(jī)制是如何被創(chuàng)造出來(lái)的，也詳細(xì)探討了時(shí)下最流行的注意力機(jī)制相關(guān)的方法和模型，比如Transformer、SNAIL、神經(jīng)圖靈機(jī)（Neural Turing Machines）以及自注意力生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（SAGAN），一度成為不少學(xué)習(xí)者的參考資料。

該篇博客結(jié)構(gòu)如下：

序列到序列（Seq2Seq）模型究竟有什么問(wèn)題？

為翻譯而生

定義

注意力機(jī)制模型家族

歸納總結(jié)

自注意力機(jī)制（Self-attention）

Soft & Hard Attention

Global & Local Attention

神經(jīng)圖靈機(jī)

讀寫(xiě)機(jī)制

注意力機(jī)制

指針網(wǎng)絡(luò)（Pointer Network）

Transformer

Key, Value and Query

多頭自注意力機(jī)制（Multi-Head Self-Attention）

編碼器（Encoder）

解碼器（Decoder）

完整的結(jié)構(gòu)

SNAIL

自注意力生成對(duì)抗網(wǎng)路（Self-Attention GAN）

參考

在某種程度上，注意力取決于我們?nèi)绾螌?duì)圖像的不同區(qū)域進(jìn)行視覺(jué)注意或?qū)⒁粋€(gè)句子中的單詞關(guān)聯(lián)起來(lái)。

以圖1 中的柴犬圖為例。

圖1 一只可愛(ài)的柴犬穿著一件人類(lèi)的外套。該圖片來(lái)自于Instagram @mensweardog

人類(lèi)的視覺(jué)注意力機(jī)制使我們能夠以一種“高分辨率”的形式關(guān)注到圖像的某個(gè)區(qū)域（例如當(dāng)你觀(guān)察圖中黃色框標(biāo)注的狗耳朵的時(shí)候），而同時(shí)以一種“低分辨率”的形式感知著周?chē)膱D像（例如這個(gè)時(shí)候你的余光中雪的背景，還有柴犬所穿的外套的樣子），然后調(diào)整眼睛所關(guān)注的焦點(diǎn)或者相應(yīng)地進(jìn)行推斷。

如果將圖像扣掉一小塊，我們也可以根據(jù)圖像中其余的內(nèi)容線(xiàn)索推測(cè)出被扣掉的內(nèi)容究竟是什么。比如可以推測(cè)出被黃色框扣掉的內(nèi)容是一個(gè)尖尖的耳朵，因?yàn)槲覀兛吹搅艘粋€(gè)狗的鼻子，右邊另一個(gè)尖尖的耳朵以及柴犬的神秘眼神（圖中紅色框所示的內(nèi)容）。對(duì)于耳朵的預(yù)測(cè)，底部的毛衣和毯子就不如上述狗的特征有用。

類(lèi)似的，我們同樣可以解釋?zhuān)粋€(gè)句子或近似語(yǔ)境中單詞之間的關(guān)系。在一句話(huà)中，當(dāng)我們看到“吃”這個(gè)單詞的時(shí)候，我們很快就會(huì)遇到一個(gè)食物詞（apple）。雖然顏色術(shù)語(yǔ)（green）描述了食物，但可能跟“吃”之間沒(méi)有直接的關(guān)系。

圖2 同一個(gè)句子當(dāng)中，不同詞之間具有不同的關(guān)系

簡(jiǎn)而言之，深度學(xué)習(xí)中的注意力機(jī)制可以被廣義地定義為一個(gè)描述重要性的權(quán)重向量：通過(guò)這個(gè)權(quán)重向量為了預(yù)測(cè)或者推斷一個(gè)元素，比如圖像中的某個(gè)像素或句子中的某個(gè)單詞，我們使用注意力向量定量地估計(jì)出目標(biāo)元素與其他元素之間具有多么強(qiáng)烈的相關(guān)性，并由注意力向量的加權(quán)和作為目標(biāo)的近似值。

序列到序列（Seq2Seq）模型究竟有什么問(wèn)題？

seq2seq模型最早是在2014年由Sutskever提出的，他主要針對(duì)的是語(yǔ)言模型。從廣義上來(lái)講，它的目的是將輸入序列（源序列）轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的序列（目標(biāo)序列），而且兩個(gè)序列的長(zhǎng)度可以是任意的。轉(zhuǎn)換任務(wù)包括文本或者語(yǔ)音上的多語(yǔ)種機(jī)器翻譯，問(wèn)答對(duì)話(huà)的生成或者生成句子的語(yǔ)法樹(shù)等任務(wù)。

seq2seq模型通常具有一種編碼器-解碼器（encoder-decoder）結(jié)構(gòu)，由下面兩部分構(gòu)成：

Encoder：編碼器處理輸入序列，然后將其中包含的信息壓縮成固定長(zhǎng)度的上下文向量（context vector），上下文向量也可以叫做句子嵌入（sentence embedding）。這種表示方式可以用來(lái)對(duì)一整個(gè)句子的含義做出一個(gè)很好的總結(jié)。

Decoder：利用Encoder產(chǎn)生的上下文向量來(lái)初始化解碼器以產(chǎn)生變換后的輸出序列。早期的工作僅僅使用編碼器網(wǎng)絡(luò)的最后狀態(tài)作為解碼器的初始狀態(tài)。

編碼器和解碼器都可以是遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，例如使用LSTM和GRU單元。

圖3 encoder-decoder模型，用來(lái)將“she is eating a green apple”翻譯成中文，圖中是對(duì)編碼器和解碼器隨著時(shí)間步而展開(kāi)的可視化效果

這種固定長(zhǎng)度的上下文向量設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵的和明顯的缺點(diǎn)在于，它無(wú)法記住很長(zhǎng)的句子，對(duì)很長(zhǎng)的時(shí)序信息來(lái)說(shuō)，一旦它完成了對(duì)整個(gè)序列的處理，它通常會(huì)忘記最開(kāi)始的部分，從而丟失很多有用的信息。因此，在2015年Bahdanau等人為了解決長(zhǎng)時(shí)依賴(lài)問(wèn)題，提出了注意力機(jī)制。

為翻譯而生

注意力機(jī)制的誕生，最開(kāi)始是為了幫助神經(jīng)機(jī)器翻譯（NMT）記住較長(zhǎng)的源句。注意力機(jī)制的秘方在于，它建立了一個(gè)上下文向量與整個(gè)源句之間的快捷方式，而不只是通過(guò)編碼器最后一步的隱層狀態(tài)來(lái)生成上下文向量。這些快捷方式的連接權(quán)重是根據(jù)每個(gè)輸出元素自適應(yīng)計(jì)算出來(lái)的。

既然上下文向量可以訪(fǎng)問(wèn)到整個(gè)句子中的每個(gè)單詞，那我們根本不用擔(dān)心之前的信息會(huì)被遺忘。源序列和目標(biāo)序列之間的對(duì)齊（alignment）就通過(guò)這個(gè)上下文向量來(lái)學(xué)習(xí)和控制，從本質(zhì)上講，要計(jì)算上下文向量需要三個(gè)必要信息：

編碼器的隱含層狀態(tài)

解碼器的隱含層狀態(tài)

源和目標(biāo)序列之間的對(duì)齊方式

圖4 加入注意力機(jī)制的encoder-decoder模型（Bahdanau等人，2015）

定義

現(xiàn)在讓我們以科學(xué)的方式來(lái)定義神經(jīng)機(jī)器翻譯系統(tǒng)中引入的注意力機(jī)制。比方說(shuō)，我們有一個(gè)長(zhǎng)度為n的源序列x，并嘗試輸出長(zhǎng)度為m的目標(biāo)序列y：

（加粗的變量代表他們是一個(gè)向量，本博客中所有情況相同）

這里的編碼器是雙向LSTM（或者其他你認(rèn)為合適的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），前向的隱含層狀態(tài)定義為，后向的隱含層狀態(tài)定義為。將兩種表示簡(jiǎn)單地串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成編碼器的整個(gè)隱含層狀態(tài)表示。這種表示方法意在描述當(dāng)前單詞的時(shí)候包含有它之前和之后詞的釋義。

解碼器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于第t時(shí)刻的輸出單詞的隱含層狀態(tài)可以表示為, 其中上下文向量是輸入序列的隱含層狀態(tài)的加權(quán)和，權(quán)重由對(duì)齊函數(shù)計(jì)算得來(lái)：

對(duì)齊函數(shù)得到的分?jǐn)?shù)是根據(jù)第i個(gè)位置的輸入和第t個(gè)位置的輸出對(duì)得來(lái)的，它衡量了二者的匹配程度。的集合衡量了輸出關(guān)注到多少源序列的隱層狀態(tài)。在Bahdanau的文章中，對(duì)齊分?jǐn)?shù)的參數(shù)由一個(gè)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)化，其輸入僅僅是輸入序列和輸出序列的隱含層狀態(tài)，這個(gè)模型跟整體模型的其它部分一起參與訓(xùn)練，從而學(xué)到所謂的注意力權(quán)重。因此對(duì)齊分?jǐn)?shù)函數(shù)的定義如下面所示，給定tanh作為非線(xiàn)性激活函數(shù)：

其中和是可學(xué)習(xí)的參數(shù)，作為整體模型參數(shù)的一部分參與到訓(xùn)練的過(guò)程當(dāng)中。

對(duì)齊分?jǐn)?shù)矩陣是一個(gè)很好的副產(chǎn)品，它可以很好的顯示出源單詞和目標(biāo)單詞之間的相關(guān)性。

圖5 對(duì)齊分?jǐn)?shù)矩陣，表現(xiàn)了源句法語(yǔ)“L’accord sur l’Espace économique européen a été signé en ao?t 1992”到目標(biāo)語(yǔ)句英語(yǔ)“The agreement on the European Economic Area was signed in August 1992”翻譯的單詞之間相關(guān)性的結(jié)果。

點(diǎn)擊下面鏈接可以獲得具體的實(shí)施方法，這是Tensorflow團(tuán)隊(duì)提供的一份優(yōu)秀的教程。

https://www.tensorflow.org/versions/master/tutorials/seq2seq

注意力機(jī)制模型家族

有了注意力機(jī)制，源序列和目標(biāo)序列的依賴(lài)關(guān)系再也不需要二者之間的相對(duì)距離了！有了機(jī)器翻譯領(lǐng)域上巨大的進(jìn)展，注意力機(jī)制在包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)（Xu et al.2015）在內(nèi)的其它領(lǐng)域也都隨之有了廣泛的應(yīng)用，研究者們也相繼探索出各種不同的注意力機(jī)制模型以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合(Luong, et al., 2015; Britz et al., 2017; Vaswani, et al., 2017)。

歸納總結(jié)

下面的表格，我們總結(jié)了幾種流行的注意力機(jī)制以及相應(yīng)的對(duì)齊分?jǐn)?shù)函數(shù)：

(*)在Luong等人的文章中被稱(chēng)為“concat”，在Vaswani等人的文章中被稱(chēng)為“附加注意”。

(^)它增加了一個(gè)比例因子`$1/sqrt{n}$`，因?yàn)楫?dāng)輸入較大時(shí)，softmax函數(shù)的梯度可能非常小，難以進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)。

下面總結(jié)了一些更廣義的應(yīng)用到注意力機(jī)制的方法：

(&)此外，Cheng等人在2016等論文中也將其稱(chēng)為內(nèi)注意力機(jī)制（intra-attention）。

自注意力機(jī)制（Self-attention）

自注意力機(jī)制，又稱(chēng)內(nèi)注意力機(jī)制，是一種將單個(gè)序列的不同位置關(guān)聯(lián)起來(lái)以計(jì)算同一序列的表示的注意機(jī)制。它在機(jī)器閱讀、抽象摘要或圖像描述生成中非常有用。

在“Long short-term memory network”這篇文章中使用自注意力機(jī)制去做機(jī)器閱讀。在下面的例子中，自注意機(jī)制使我們能夠?qū)W習(xí)當(dāng)前單詞和句子前一部分之間的相關(guān)性。

相關(guān)鏈接：https://arxiv.org/pdf/1601.06733.pdf

圖6 當(dāng)前單詞為紅色，藍(lán)色陰影的大小表示激活級(jí)別也就是相關(guān)性的大小。（圖片來(lái)自于Cheng et al.，2016）

在“Show,attend and tell”這篇文章中，自注意力機(jī)制應(yīng)用于圖像以生成適當(dāng)?shù)拿枋觥D像首先由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編碼，具有自注意力機(jī)制的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用卷積特征映射逐條生成描述性詞語(yǔ)。注意力權(quán)重的可視化清晰地展示了模型為了輸出某個(gè)單詞而關(guān)注圖像的某些區(qū)域。

相關(guān)鏈接：http://proceedings.mlr.press/v37/xuc15.pdf

圖7 機(jī)器根據(jù)圖像得到的描述“一個(gè)女人正在一個(gè)公園里扔飛碟”。（圖像來(lái)自于Xu et al. 2015）

Soft & Hard Attention

soft vs hard 注意力記住是區(qū)分注意力定義的另一種方式。最初的想法是在“Show, attend and tell paper”論文中提出的，其主要思想在于：注意力是否可以訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)圖像或只訪(fǎng)問(wèn)圖像中的一部分：

Soft Attention：所學(xué)習(xí)的對(duì)齊權(quán)重關(guān)注于整個(gè)輸入圖像中的各個(gè)部分，關(guān)鍵思想和Bahdanau在2015年的論文如出一轍。

優(yōu)點(diǎn)：模型是平滑可微的

缺點(diǎn)：當(dāng)輸入序列非常長(zhǎng)的時(shí)候，計(jì)算量會(huì)很大

Hard Attention：每一步只關(guān)注到圖像中的一部分

優(yōu)點(diǎn)： 預(yù)測(cè)階段具有很小的運(yùn)算量

缺點(diǎn)：模型是不可導(dǎo)的而且需要更加復(fù)雜的訓(xùn)練技術(shù)，例如強(qiáng)化學(xué)習(xí)和方差降低（variance reduction）

Global & Local Attention

“Luong, et al.,2015” 首次提出了“global”和“l(fā)ocal”注意力機(jī)制。global注意力機(jī)制和soft注意力機(jī)制類(lèi)似，然而local是hard和soft的有趣的融合，它是對(duì)hard attention的一種改進(jìn)，使得它變得可導(dǎo)：該模型首先預(yù)測(cè)一個(gè)當(dāng)前目標(biāo)詞對(duì)齊的位置和一個(gè)圍繞源位置的窗口，然后用于計(jì)算上下文向量。

相關(guān)鏈接：https://arxiv.org/pdf/1508.04025.pdf

圖8 全局和局部注意力機(jī)制（圖片來(lái)自于Luong,et al.,2015中圖2和圖3）

神經(jīng)圖靈機(jī)

1936年，阿蘭·圖靈提出了一個(gè)計(jì)算機(jī)的最小模型。它由一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的磁帶和一個(gè)與磁帶交互的磁頭組成。磁帶上有無(wú)數(shù)的單元格，每個(gè)單元格都填有一個(gè)符號(hào):0,1或空格（“ ”）。操作頭可以讀取符號(hào)、編輯符號(hào)，并可以在磁帶上左右移動(dòng)。理論上，圖靈機(jī)可以模擬任何計(jì)算機(jī)算法，不管這個(gè)過(guò)程有多復(fù)雜或多耗時(shí)。無(wú)限內(nèi)存給圖靈機(jī)帶來(lái)了數(shù)學(xué)上無(wú)限的優(yōu)勢(shì)。然而，無(wú)限內(nèi)存在真正的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中是不可行的。

圖9 圖靈機(jī)的樣子:一個(gè)磁帶+一個(gè)處理磁帶的磁頭。(圖片來(lái)源:http: aturingmachine.com)

神經(jīng)圖靈機(jī)（NTM，Graves, Wayne & Danihelka, 2014）是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與外部存儲(chǔ)器耦合的模型結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器模仿圖靈機(jī)磁帶，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制操作頭從磁帶讀取或者向磁帶中寫(xiě)。然而，NTM中的內(nèi)存是有限的，因此它看起來(lái)更像是一臺(tái)“神經(jīng)馮諾伊曼機(jī)器”。

NTM包含兩個(gè)主要部件:一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的控制器和存儲(chǔ)器?？刂破?負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)存執(zhí)行操作。它可以是任何類(lèi)型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。存儲(chǔ)器：保存處理過(guò)的信息。它是一個(gè)大小為`$N imes M$`的矩陣，其中包含N行向量，每個(gè)向量都有M個(gè)維度。

在一次更新迭代的過(guò)程中，控制器處理輸入信號(hào)并相應(yīng)地與存儲(chǔ)器進(jìn)行交互以生成輸出。交互由一組并行讀寫(xiě)頭處理。讀和寫(xiě)操作都是模糊的，因?yàn)樗鼈兌夹枰L(fǎng)問(wèn)所有內(nèi)存地址。

圖10 神經(jīng)圖靈機(jī)的結(jié)構(gòu)

讀寫(xiě)機(jī)制

當(dāng)在時(shí)刻t(注意力向量大小為N)從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，控制分配給不同內(nèi)存位置(矩陣行)的注意量。讀取向量是記憶內(nèi)存的加權(quán)和，權(quán)重根據(jù)注意力強(qiáng)度來(lái)衡量。

其中代表向量的第i個(gè)元素,是存儲(chǔ)矩陣的第i行向量。

在t時(shí)刻寫(xiě)入內(nèi)存時(shí)，受LSTM中輸入和遺忘門(mén)的啟發(fā)，寫(xiě)入磁頭首先根據(jù)一個(gè)擦除向量擦除一些舊的內(nèi)容，然后通過(guò)一個(gè)加法向量添加新的信息到存儲(chǔ)器中。

注意力機(jī)制

在神經(jīng)圖靈機(jī)中，如何產(chǎn)生注意力分布wt取決于尋址機(jī)制：神經(jīng)圖靈機(jī)使用基于內(nèi)容和基于位置的尋址的混合尋址方式。

基于內(nèi)容的尋址方式

基于內(nèi)容的尋址方式，就是根據(jù)控制器從輸入行和內(nèi)存行提取的關(guān)鍵向量kt之間的相似性來(lái)創(chuàng)建注意向量?；趦?nèi)容的注意力機(jī)制用余弦相似度來(lái)計(jì)算相似性，然后用softmax函數(shù)進(jìn)行歸一化。此外，神經(jīng)圖靈機(jī)增加了放大器βt用來(lái)放大或衰減分布的重點(diǎn)。

插值

然后利用插值門(mén)，也就是一個(gè)標(biāo)量gt將新生成的基于內(nèi)容的注意向量與上一步的注意權(quán)值進(jìn)行混合：

基于位置的尋址方式

基于位置的尋址將注意向量中不同位置的值相加，并通過(guò)允許的整數(shù)移位上的加權(quán)分布進(jìn)行加權(quán)。它等價(jià)于與核函數(shù)st(.)的一維卷積，st(.)是位置偏移的函數(shù)。定義這個(gè)分布有多種方法。參見(jiàn)圖11以獲得啟發(fā)。

圖11 兩種表示位移權(quán)重分布st的方式

最后注意分布由標(biāo)量進(jìn)行銳化增強(qiáng)。

注意向量wt在時(shí)間步長(zhǎng)t上生成的完整過(guò)程如圖12所示。控制器產(chǎn)生的每個(gè)磁頭的所有參數(shù)都是唯一的。如果有多個(gè)讀寫(xiě)頭并行，控制器將輸出多個(gè)集合。

圖12 神經(jīng)圖靈機(jī)尋址機(jī)構(gòu)流程圖

指針網(wǎng)絡(luò)（Pointer Network）

在排序或旅行推銷(xiāo)員（travelling salesman）等問(wèn)題中，輸入和輸出都是順序的數(shù)據(jù)。不幸的是，傳統(tǒng)的seq-2-seq或NMT模型都不能很容易地解決這些問(wèn)題，因?yàn)檩敵鲈氐碾x散類(lèi)別不是預(yù)先確定的，而是取決于可變的輸入大小。指針網(wǎng)絡(luò)(Ptr-Net;(Vinyals, et al. 2015)的提出就是為了解決這類(lèi)問(wèn)題:當(dāng)輸出元素對(duì)應(yīng)于輸入序列中的位置時(shí)。指針網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有使用注意力機(jī)制將編碼器的隱藏單元混合到上下文向量中(參見(jiàn)圖8)，而是使用注意力機(jī)制直接作用在編碼器上，選擇輸入序列中某個(gè)元素作為解碼器的輸出。

圖13 指針網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)圖（圖片來(lái)自于https://lilianweng.github.io/lil-log/assets/images/ptr-net.png）

當(dāng)給定輸入序列為，指針網(wǎng)絡(luò)的輸出是一個(gè)由整數(shù)索引構(gòu)成的序列。指針網(wǎng)絡(luò)依然是以編碼器-解碼器的結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)。其中編碼器和解碼器的隱含層狀態(tài)分別表示為和。指針網(wǎng)絡(luò)使用addictive attention作為對(duì)分?jǐn)?shù)齊函數(shù)，然后同樣使用softmax進(jìn)行歸一化從而建立輸出條件概率模型：

可以看到，在指針網(wǎng)絡(luò)中注意機(jī)制被簡(jiǎn)化了，因?yàn)樗鼪](méi)有將編碼器狀態(tài)與注意權(quán)重混合到輸出中。這樣，輸出只響應(yīng)位置，而不響應(yīng)輸入內(nèi)容。

Transformer

“Attention is All you Need”這篇文章(Vaswani, et al.， 2017)，無(wú)疑是2017年最有影響力和最有趣的論文之一。它對(duì)soft attention進(jìn)行了大量的改進(jìn)，使得在不需要遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元（LSTM，GRU）的情況下進(jìn)行seq2seq建模成為了可能。它提出的 Transformer 模型完全建立在自注意力機(jī)制（self-attention）的基礎(chǔ)上，沒(méi)有使用任何序列對(duì)齊的遞歸結(jié)構(gòu)。

其模型結(jié)構(gòu)如下：

Key, Value and Query

Transformer的主要部件是一個(gè)叫做“多頭自注意力機(jī)制”的單元（multi-head self-attention mechanism）。Transformer將輸入的編碼表示形式視為一組鍵key-值value對(duì)(K,V)，它們的維度都是n（輸入序列長(zhǎng)度）；在NMT的上下文中，key和value都是編碼器的隱含層狀態(tài)。在解碼器中，上一步的輸出被壓縮為一個(gè)查詢(xún)query(Q的維度為m)，下一步的輸出是通過(guò)映射這個(gè)查詢(xún)query到一組鍵key和值value的集合生成的。Attention 函數(shù)的本質(zhì)可以被描述為一個(gè)查詢(xún)到一系列鍵-值對(duì)的映射。

Transformer選擇縮放點(diǎn)積（scaled dot-product attention）作為注意力機(jī)制：輸出為各個(gè)值key的加權(quán)和，其中每個(gè)值value的權(quán)重定義為查詢(xún)query作用于所有鍵key的縮放點(diǎn)積：

多頭自注意力機(jī)制（Multi-Head Self-Attention）

圖14 多頭縮放點(diǎn)積注意力機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖

多頭注意力機(jī)制會(huì)并行計(jì)算縮放點(diǎn)積很多次，而不是僅僅計(jì)算一次。然后將相互獨(dú)立的注意力計(jì)算單元的輸出簡(jiǎn)單的拼接在一起，最后通過(guò)一個(gè)線(xiàn)性單元轉(zhuǎn)換成期望大小的維度。我認(rèn)為這樣做的動(dòng)機(jī)是因?yàn)楹喜⒖偸怯行У模扛鶕?jù)作者在文章中的描述，“多頭注意力機(jī)制允許模型共同關(guān)注來(lái)自不同位置的不同子空間的信息。而僅僅有一個(gè)注意力機(jī)制，是不能得到這么豐富的信息的?！?/p>

其中為可學(xué)習(xí)的參數(shù)。

編碼器（Encoder）

圖15 Transformer的編碼器結(jié)構(gòu)

編碼器可以生成基于注意力的表示，其能夠從可能無(wú)限大的上下文中定位到特定的信息。

6個(gè)相同的層堆疊在一起

每個(gè)編碼層都有一個(gè)多頭自注意力機(jī)制層和一個(gè)全連接前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元

每個(gè)編碼子層之間都采用殘差連接方式，并且使用層歸一化（layer normalization）。

每個(gè)子層的輸出數(shù)據(jù)都是相同的維度`$d_ ext{model} = 512$`

解碼器（Decoder）

圖16 Transformer的解碼器結(jié)構(gòu)

解碼器能夠?qū)σ丫幋a的表示進(jìn)行檢索。

6個(gè)相同的層堆疊在一起

每個(gè)解碼層含有兩個(gè)子層結(jié)構(gòu)，一個(gè)是多頭注意力機(jī)制，另一個(gè)是全連接前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元

與編碼器結(jié)構(gòu)類(lèi)似，每個(gè)解碼器子層之間都采用殘差連接方式，并且使用層歸一化（layer normalization）。

第一個(gè)多頭注意子層被修改，以防止當(dāng)前位置參與到后面的子序列的位置中，因?yàn)槲覀儾幌朐陬A(yù)測(cè)當(dāng)前的位置時(shí)有目標(biāo)序列的未來(lái)信息對(duì)其進(jìn)行干擾。

完整的結(jié)構(gòu)

有了前面對(duì)編碼器和解碼器結(jié)構(gòu)的介紹，下面將引出Transformer的整體結(jié)構(gòu)：

源序列和目標(biāo)序列都先要經(jīng)過(guò)一個(gè)embedding層，將其嵌入到相同的維度，例如。

為了保存序列的位置信息，使用基于正弦函數(shù)的位置編碼器對(duì)每個(gè)輸入向量進(jìn)行編碼，將編碼向量合并在嵌入向量之后。

softmax函數(shù)和線(xiàn)性層加入到最后解碼器的輸出上。

圖17 Transformer的整體結(jié)構(gòu)

注：作者實(shí)現(xiàn)的一個(gè)Transformer模型：lilianweng/transformer-tensorflow

SNAIL

Transformer模型沒(méi)有遞歸結(jié)構(gòu)或者卷積結(jié)構(gòu)，即便加入位置編碼單元對(duì)嵌入向量的位置進(jìn)行編碼，對(duì)序列的順序表示也很弱。對(duì)于像強(qiáng)化學(xué)習(xí)這種對(duì)位置依賴(lài)性十分敏感的問(wèn)題，這可能是一個(gè)大問(wèn)題。

簡(jiǎn)單神經(jīng)注意力元學(xué)習(xí)（Simple Neural Attention Meta-Learner）簡(jiǎn)稱(chēng)SNAIL，通過(guò)將Transformer的自注意力機(jī)制與時(shí)序卷積相結(jié)合，部分解決了模型中位置編碼的問(wèn)題。它已被證明擅長(zhǎng)解決監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)。

圖18 SNAIL模型的結(jié)構(gòu)圖

SNAIL的產(chǎn)生歸功于元學(xué)習(xí)，這是另一個(gè)值得寫(xiě)一篇文章來(lái)歸納的大話(huà)題。但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，元學(xué)習(xí)用來(lái)預(yù)測(cè)那些新穎的但未被觀(guān)察到的、具有跟已知樣本有相同分布的樣本數(shù)據(jù)。

自注意力生成對(duì)抗網(wǎng)路（Self-Attention GAN）

最后，我想提到一個(gè)最新發(fā)布的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)模型，自注意力生成對(duì)抗網(wǎng)路，我們來(lái)看看注意力機(jī)制是如何應(yīng)用到生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)上以提高生成圖像的質(zhì)量的。

經(jīng)典的DGGAN（深度卷積生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)）將生成器和判別器都表示成多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然而，表示的能力受到濾波器大小的限制，因?yàn)橐粋€(gè)像素的特征受限于一塊小的局部區(qū)域。為了連接相隔很遠(yuǎn)的區(qū)域，必須通過(guò)卷積操作來(lái)稀釋這些特征，盡管如此，他們之間的依賴(lài)性也未必能得到很好的保證。

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中，由于上下文向量可以通過(guò)soft-attention明確地學(xué)習(xí)到一個(gè)像素與其他位置所有像素之間的關(guān)系，即便是相距甚遠(yuǎn)的區(qū)域，它也可以輕松捕獲全局的依賴(lài)關(guān)系。因此，如果將self-attention與GAN相結(jié)合，有望處理更多細(xì)節(jié)信息。

圖19 卷積操作和自注意力機(jī)制訪(fǎng)問(wèn)到的區(qū)域大有不同

SAGAN采用非局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（non-local neural network）的注意力方法來(lái)計(jì)算。卷積圖像的特征圖構(gòu)成三個(gè)分支，分別對(duì)應(yīng)于Transformer模型中的鍵、值和查詢(xún)?nèi)齻€(gè)概念。

然后我們使用點(diǎn)積（dot-product）注意力機(jī)制來(lái)得到自注意特征圖：

圖20 SAGAN中的自注意力機(jī)制

注意到，是注意力圖（attention map）中的一個(gè)元素，它表示模型在生成第j個(gè)位置時(shí)對(duì)第i個(gè)位置應(yīng)該注意多少程度。都是1x1的卷積核。

如果你不太明白1x1的卷積是什么意思，請(qǐng)參看Andrew Ng的一個(gè)簡(jiǎn)短的教程

（鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=9EZVpLTPGz8）。

列向量是最終的輸出結(jié)果，。

之后，輸出的注意層（attention layer）乘以一個(gè)比例系數(shù)，再放回到原始的特征圖中，這類(lèi)似于殘差連接方式：

盡管縮放系數(shù)在訓(xùn)練期間從0逐漸增加，但是網(wǎng)絡(luò)被配置為一開(kāi)始依賴(lài)局部區(qū)域中的信息，然后通過(guò)分配更多權(quán)重給更遠(yuǎn)區(qū)域逐漸學(xué)習(xí)到更遠(yuǎn)區(qū)域的信息。

圖21 SAGAN生成的大小為128×128的不同類(lèi)別的示例圖像