Una guida all'utilizzo dei trasformatori utilizzando TensorFlow per la generazione di sottotitoli

Panoramica

• Conoscere il modello all'avanguardia che è Transformers.
• Per favore, comprendi come possiamo implementare Transformers nel problema della didascalia dell'immagine già visto usando Tensorflow
  
• Confrontando i risultati di Transformers vs Modelli di attenzione.

introduzione

Abbiamo visto che i meccanismi dell'attenzione (nell'articolo precedente) sono diventati parte integrante di convincenti modelli di sequenza e modelli di trasduzione in vari compiti (come didascalia delle immagini), consentendo la modellazione delle dipendenze indipendentemente dalla loro distanza nelle sequenze di input o output.

Il trasformatore, un'architettura modello che evita la ricorrenza e, Invece, si basa interamente su un meccanismo di cura per stabilire le dipendenze globali tra input e output. L'architettura Transformer consente una parallelizzazione significativamente maggiore e può ottenere nuovi risultati all'avanguardia nella qualità della traduzione.

In questo articolo, vediamo come si può Implementa il meccanismo di attenzione per la generazione di sottotitoli con Transformers utilizzando TensorFlow.

Prerequisiti prima di iniziare: –

Ti consiglio di leggere questo articolo prima di iniziare:

Sommario

1. Architettura del trasformatore
2. Implementazione del meccanismo di attenzione per la generazione di sottotitoli con Transformers utilizzando Tensorflow
   1. Importa le librerie richieste
   2. Caricamento e pre-elaborazione dei dati
   3. Definizione di modello
   4. Codifica posizionale
   5. Cura multi-testa
   6. Strato codificatore-decodificatore
   7. Trasformatore
   8. Iperparametri del modello
   9. FormazioneLa formazione è un processo sistematico volto a migliorare le competenze, conoscenze o abilità fisiche. Viene applicato in vari ambiti, come lo sport, Formazione e sviluppo professionale. Un programma di allenamento efficace include la pianificazione degli obiettivi, Pratica regolare e valutazione dei progressi. L'adattamento alle esigenze individuali e la motivazione sono fattori chiave per ottenere risultati di successo e sostenibili in qualsiasi disciplina.... de modelos
   10. Valutazione BLEU
   11. Confronto
3. Qual è il prossimo?
4. Note finali

Architettura del trasformatore

La rete del trasformatore utilizza un'architettura encoder-decodificatore simile a quella di un RNN. La differenza principale è che i trasformatori possono ricevere la preghiera / sequenza ingresso parallelo, vale a dire, non c'è un passo temporale associato all'input e tutte le parole nella frase possono essere passate contemporaneamente.

Iniziamo capendo l'ingresso al trasformatore.

Considera una traduzione dall'inglese al tedesco. Inseriamo l'intera frase in inglese nell'inserto di input. Un livello di inserimento di input può essere pensato come un punto nello spazio in cui parole di significato simile sono fisicamente più vicine l'una all'altra., vale a dire, ogni parola è assegnata a un vettore con valori continui per rappresentare quella parola.

Ora, un problema con questo è che la stessa parola in frasi diverse può avere significati diversi, è qui che entra in gioco la codifica della posizione. Poiché i trasformatori non contengono ricorrenza o convoluzione, affinché il modello utilizzi l'ordine della sequenza, deve utilizzare alcune informazioni sulla posizione relativa o assoluta delle parole in una sequenza. L'idea è di utilizzare pesi fissi o appresi che codificano informazioni relative a una posizione specifica di un token in una frase.

Allo stesso modo, la parola tedesca di destinazione viene inviata alla codifica di output e il suo vettore di codifica posizionale viene passato al blocco del decodificatore.

Il blocco encoder ha due sottolivelli. Il primo è un meccanismo di autocura multi-testa, e il secondo è una semplice rete di feed forward, completamente connesso a seconda della posizione. Per ogni parola, possiamo generare un vettore di attenzione che cattura le relazioni contestuali tra le parole in una frase. L'attenzione a più teste sull'encoder applica uno specifico meccanismo di attenzione chiamato auto-attenzione. L'auto-attenzione consente ai modelli di associare ogni parola nella voce con altre parole.

Oltre ai due sottolivelli in ogni livello dell'encoder, il decoder inserisce un terzo sottolivello, che esegue l'attenzione multi-testa sull'uscita dello stack dell'encoder. Simile all'encoder, usiamo connessioni residue attorno a ciascuno dei sottostrati, seguito dalla normalizzazione del livello. I vettori di attenzione delle parole tedesche e i vettori di attenzione delle frasi inglesi dell'encoder vengono passati alla seconda attenzione a più teste.

Questo blocco di attenzione determinerà quanto strettamente ogni vettore di parole è correlato tra loro.. Qui è dove viene eseguita la mappatura delle parole dall'inglese al tedesco. Il decoder è sormontato da uno strato lineare che funge da classificatore e da un softmax per ottenere le probabilità della parola.

Ora che hai una panoramica di base su come funzionano i trasformatori, vediamo come possiamo implementarlo per l'attività di didascalia delle immagini utilizzando Tensorflow e confrontare i nostri risultati con altri metodi.

Implementazione del meccanismo di attenzione per la generazione di sottotitoli con Transformers utilizzando TensorFlow

Puoi trovare il codice sorgente completo in my Github profilo.

passo 1: – Importa le librerie richieste

Qui useremo Tensorflow per creare il nostro modello e addestrarlo. La maggior parte del credito del codice va a TensorFlow tutorial. Puoi utilizzare i taccuini Google Colab o Kaggle se desideri che una GPU ti alleni.

stringa di importazione
importa numpy come np
importa panda come pd
da numpy import array
da PIL import Immagine
importare sottaceti

importa matplotlib.pyplot come plt
sistema di importazione, tempo, tu, avvisi
warnings.filterwarnings("ignorare")
importare re

importazione difficile
import tensorflow come tf
da tqdm import tqdm
da nltk.translate.bleu_score import phrase_bleu

da keras.preprocessing.sequence import pad_sequences
da keras.utils import to_categorical
da keras.utils import plot_model
da keras.models import Model
da keras.layers import Input
da keras.layers import Dense, Normalizzazione batch
da keras.layers import LSTM
da keras.layers import Incorporamento
da keras.layers import Dropout
da keras.layers.merge import add
da keras.callbacks import ModelCheckpoint
da keras.preprocessing.image import load_img, img_to_array
da keras.preprocessing.text import Tokenizer

da sklearn.utils import shuffle
da sklearn.model_selection import train_test_split

passo 2: – Caricamento e pre-elaborazione dei dati

Definisci la nostra immagine e il percorso della didascalia e controlla quante immagini in totale sono presenti nel set di dati.

percorso_immagine = "/content/gdrive/Il mio Drive/FLICKR8K/Flicker8k_Dataset"
dir_Flickr_text = "/content/gdrive/Il mio Drive/FLICKR8K/Flickr8k_text/Flickr8k.token.txt"
jpgs = os.listdir(percorso_immagine)

Stampa("Immagini totali nel set di dati = {}".formato(len(jpg)))

Produzione:

Creiamo un data frame per memorizzare l'id dell'immagine e le didascalie per facilità d'uso.

file = aperto(dir_Flickr_text,'R')
testo = file.leggi()
file.chiudi()

datatxt = []
per la riga in text.split('n'):
   col = line.split('T')
   se len(col) == 1:
       Continua
   w = col[0].diviso("#")
   datatxt.append(w + [col[1].inferiore()])

data = pd.DataFrame(datatxt,colonne=["nome del file","indice","didascalia"])
data = data.reindex(colonne =['indice','nome del file','didascalia'])
dati = dati[dati.nomefile != '2258277193_586949ec62.jpg.1']
uni_filenames = np.unique(dati.nomefile.valori)

data.head()

Produzione:

Prossimo, Visualizziamo alcune immagini e la loro 5 leggende:

npic = 5
npix = 224
target_size = (npix,npix,3)
conteggio = 1

fig = plt.figure(figsize=(10,20))
per jpgfnm in uni_filenames[10:14]:
   nome file = image_path + '/' + jpgfnm
   didascalie = elenco(dati["didascalia"].luogo[dati["nome del file"]== jpgfnm].valori)
   image_load = load_img(nome del file, target_size=target_size)
   ax = fig.add_subplot(npic,2,contare,xtick=[],yticks=[])
   ax.imshow(image_load)
   conteggio += 1

   ax = fig.add_subplot(npic,2,contare)
   asse.plt('spento')
   ax.plot()
   ax.set_xlim(0,1)
   ax.set_ylim(0,len(didascalie))
   per me, didascalia in enumerare(didascalie):
       ax.text(0,io,didascalia,dimensione del carattere=20)
   conteggio += 1
plt.mostra()

Produzione:

Prossimo, vediamo qual è la dimensione attuale del nostro vocabolario: –

vocabolario = []
per txt in data.caption.values:
   vocabolario.estendere(txt.split())
Stampa("Dimensione del vocabolario": %D' % len(set(vocabolario)))

Produzione:

Prossimo, eseguire una pulizia del testo, come rimuovere la punteggiatura, singoli caratteri e valori numerici:

def remove_punctuation(text_original):
   text_no_punctuation = text_original.translate(stringa.punteggiatura)
   Restituzione(text_no_punctuation)

def remove_single_character(testo):
   text_len_more_than1 = ""
   per Word in Text.split():
       se len(parola) > 1:
           text_len_more_than1 += " " + parola
   Restituzione(text_len_more_than1)

def remove_numeric(testo):
   text_no_numeric = ""
   per Word in Text.split():
       isalpha = word.isalpha()
       se isalpha:
           text_no_numeric += " " + parola
   Restituzione(text_no_numeric)

def text_clean(text_original):
   testo = remove_punctuation(text_original)
   testo = remove_single_character(testo)
   testo = remove_numeric(testo)
   Restituzione(testo)

per me, didascalia in enumerare(data.caption.values):
   newcaption = text_clean(didascalia)
   dati["didascalia"].iloca[io] = nuova didascalia

Ora diamo un'occhiata alla dimensione del nostro vocabolario dopo la pulizia.

clean_vocabulary = []
per txt in data.caption.values:
   clean_vocabulary.extend(txt.split())
Stampa("Dimensione del vocabolario pulito": %D' % len(set(vocabolario_pulito)))

Produzione:

Prossimo, salviamo tutti i titoli e i percorsi delle immagini in due liste in modo da poter caricare le immagini contemporaneamente utilizzando il percorso stabilito. Aggiungiamo anche tag ” e ” ad ogni titolo in modo che il modello capisca l'inizio e la fine di ogni titolo.

PERCORSO = "/content/gdrive/Il mio Drive/FLICKR8K/Flicker8k_Dataset/"
all_captions = []
per la didascalia nei dati["didascalia"].come tipo(str):
   didascalia = '<cominciare> ' + didascalia+ ' <fine>'
   all_captions.append(didascalia)

all_captions[:10]

Produzione:

all_img_name_vector = []
per annotare nei dati["nome del file"]:
   full_image_path = PERCORSO + annota
   all_img_name_vector.append(percorso_immagine_completa)

all_img_name_vector[:10]

Produzione:

Ora puoi vedere che abbiamo 40455 percorsi e didascalie delle immagini.

Stampa(F"len(all_img_name_vector) : {len(all_img_name_vector)}")
Stampa(F"len(all_captions) : {len(all_captions)}")

Produzione:

Prenderemo da soli 40000 di ciascuno in modo da poter selezionare correttamente la dimensione del lotto, vale a dire, 625 lotti se dimensione del lotto = 64. Per fare questo, definiamo una funzione per limitare il set di dati a 40000 immagini e didascalie.

def data_limiter(nessuno,didascalie_totali,all_img_name_vector):
   train_captions, img_name_vector = casuale(didascalie_totali,all_img_name_vector,random_state=1)
   train_captions = train_captions[:nessuno]
   img_name_vector = img_name_vector[:nessuno]
   train_captions di ritorno,img_name_vector

train_captions,img_name_vector = data_limiter(40000,didascalie_totali,all_img_name_vector)

passo 3: – Definizione del modello

Definiamo il modello di estrazione delle caratteristiche dell'immagine usando InceptionV3. Dobbiamo ricordare che non abbiamo bisogno di classificare le immagini qui, dobbiamo solo estrarre un vettore immagine per le nostre immagini. Perciò, rimuoviamo lo strato softmax dal modello. Dobbiamo preelaborare tutte le immagini alla stessa dimensione, vale a dire, 299 × 299 prima di inserirli nel modello, e la forma di output di questo livello è 8x8x2048.

def load_image(percorso_immagine):
   img = tf.io.read_file(percorso_immagine)
   img = tf.image.decode_jpeg(img, canali=3)
   img = tf.image.resize(img, (299, 299))
   img = tf.keras.applications.inception_v3.preprocess_input(img)
   restituire img, image_path

image_model = tf.keras.applications.InceptionV3(include_top=Falso, pesi="imagenet")
new_input = image_model.input
hidden_layer = image_model.layers[-1].output
image_features_extract_model = tf.keras.Model(nuovo_input, hidden_layer)

encode_train = ordinato(set(img_name_vector))
image_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(encode_train)
image_dataset = image_dataset.map(load_image, num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE).lotto(64)

per img, percorso in tqdm(image_dataset):
   batch_features = image_features_extract_model(img)
   batch_features = tf.reshape(batch_features,
                              (batch_features.shape[0], -1, batch_features.shape[3]))

 per bf, p in zip(batch_features, il percorso):
   path_of_feature = p.numpy().decodificare("utf-8")
   np.save(path_of_feature, bf.numpy())

top_k = 5000
tokenizer = tf.keras.preprocessing.text.Tokenizer(num_words=top_k,
                                                 oov_token="<unk>",
                                                 filtri="!"#$%&()*+.,-/:;[e-mail protetta][]^_`{|}~ ")

tokenizer.fit_on_texts(train_captions)
train_seqs = tokenizer.texts_to_sequences(train_captions)
tokenizer.word_index['<pad>'] = 0
tokenizer.index_word[0] = '<pad>'

train_seqs = tokenizer.texts_to_sequences(train_captions)
cap_vector = tf.keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(train_seqs, padding='post')

img_name_train, img_name_val, cap_train, cap_val = train_test_split(img_name_vector,cap_vector, test_size=0.2, stato_casuale=0)

BATCH_SIZE = 64
BUFFER_SIZE = 1000
num_steps = len(img_name_train) // DIMENSIONE DEL LOTTO

def map_func(nome_img, berretto):
   img_tensor = np.load(img_name.decode('utf-8')+'.npy')
   Restituzione img_tensore, berretto

dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((img_name_train, cap_train))
set di dati = set di dati.carta geografica(lambda articolo1, articolo2: tf.numpy_function(map_func, [articolo1, articolo2], [tf.float32, tf.int32]),num_parallel_calls=tf.data.experimental.AUTOTUNE)
dataset = dataset.shuffle(DIMENSIONE BUFFER).lotto(DIMENSIONE DEL LOTTO)
dataset = dataset.prefetch(buffer_size=tf.data.experimental.AUTOTUNE)

def get_angles(posizione, io, d_model):
   angle_rates = 1 / np.power(10000, (2 * (io//2)) / ad esempio float32(d_model))
   Restituzione posizione * angolo_tassi

def codifica_posizionale_1d(posizione, d_model):
   angle_rads = get_angles(np.arange(posizione)[:, ad esempio newaxis],
                           np.arange(d_model)[ad esempio newaxis, :],
                           d_model)

   angolo_rads[:, 0::2] = np.sin(angolo_rads[:, 0::2])
   angolo_rads[:, 1::2] = es. cos(angolo_rads[:, 1::2])
   pos_encoding = angle_rads[ad esempio newaxis, ...]
   Restituzione tf.cast(pos_encoding, dtype=tf.float32)

def codifica_posizionale_2d(riga,col,d_model):
   affermare d_model % 2 == 0
   row_pos = np.repeat(np.arange(riga),col)[:,ad esempio newaxis]
   col_pos = np.repeat(np.expand_dims(np.arange(col),0),riga,asse=0).rimodellare(-1,1)

   angle_rads_row = get_angles(riga_pos,np.arange(d_model//2)[ad esempio newaxis,:],d_model//2)
   angle_rads_col = get_angles(col_pos,np.arange(d_model//2)[ad esempio newaxis,:],d_model//2)

   angolo_rads_row[:, 0::2] = np.sin(angolo_rads_row[:, 0::2])
   angolo_rads_row[:, 1::2] = es. cos(angolo_rads_row[:, 1::2])
   angle_rads_col[:, 0::2] = np.sin(angle_rads_col[:, 0::2])
   angle_rads_col[:, 1::2] = es. cos(angle_rads_col[:, 1::2])
   pos_encoding = np.concatenate([angolo_rads_row,angle_rads_col],asse=1)[ad esempio newaxis, ...]
   Restituzione tf.cast(pos_encoding, dtype=tf.float32)

def create_padding_mask(seguito):
   seq = tf.cast(tf.math.uguale(seguito, 0), tf.float32)
   Restituzione seguito[:, tf.newaxis, tf.newaxis, :]  # (dimensione del lotto, 1, 1, seq_len)

def create_look_ahead_mask(dimensione):
   maschera = 1 - tf.linalg.band_part(tf.ones((dimensione, dimensione)), -1, 0)
   Restituzione maschera  # (seq_len, seq_len)

def scaled_dot_product_attention(Q, K, v, maschera):
   matmul_qk = tf.matmul(Q, K, transpose_b=Vero)  # (..., seq_len_q, seq_len_k)
   dk = tf.cast(forma.tf(K)[-1], tf.float32)
   scaled_attention_logits = matmul_qk / tf.math.sqrt(dk)
.
   Se la maschera non è Nessuno:
      scaled_attention_logits += (maschera * -1e9) 

   attention_weights = tf.nn.softmax(scaled_attention_logits, asse=-1) 
   output = tf.matmul(pesi_attenzione, v)  # (..., seq_len_q, profondità_v)

   Restituzione produzione, pesi_attenzione

classe MultiHeadAttenzione(tf.duro.strati.Strato):
   def __dentro__(se stesso, d_model, num_heads):
      super(MultiHeadAttenzione, se stesso).__dentro__()
      se stesso.num_heads = num_heads
      se stesso.d_model = d_model
      affermare d_model % se stesso.num_heads == 0
      se stesso.profondità = d_model // se stesso.num_heads
      se stesso.wq = tf.keras.layers.Dense(d_model)
      se stesso.wk = tf.keras.layers.Dense(d_model)
      se stesso.wv = tf.keras.layers.Dense(d_model)
      se stesso.denso = tf.keras.layers.Dense(d_model)

   def split_heads(se stesso, X, dimensione del lotto):
      x = tf.reshape(X, (dimensione del lotto, -1, se stesso.num_heads, se stesso.profondità))
      Restituzione tf.transpose(X, permanente=[0, 2, 1, 3])

   def chiamata(se stesso, v, K, Q, maschera=Nessuno):
      batch_size = tf.shape(Q)[0]
      q = se stesso.wq(Q)  # (dimensione del lotto, seq_len, d_model)
      k = se stesso.sett(K)  # (dimensione del lotto, seq_len, d_model)
      v = se stesso.wv(v)  # (dimensione del lotto, seq_len, d_model)

      q = se stesso.split_heads(Q, dimensione del lotto)  # (dimensione del lotto, num_heads, seq_len_q, profondità)
      k = se stesso.split_heads(K, dimensione del lotto)  # (dimensione del lotto, num_heads, seq_len_k, profondità)
      v = se stesso.split_heads(v, dimensione del lotto)  # (dimensione del lotto, num_heads, seq_len_v, profondità)

      scaled_attention, pesi_attenzione = scaled_dot_product_attention(Q, K, v, maschera)
      scaled_attention = tf.transpose(scaled_attention, permanente=[0, 2, 1, 3])  # (dimensione del lotto, seq_len_q,      num_heads, profondità)

      concat_attention = tf.reshape(scaled_attention,
                                 (dimensione del lotto, -1, se stesso.d_model))  # (dimensione del lotto, seq_len_q, d_model)

      output = se stesso.denso(concat_attention)  # (dimensione del lotto, seq_len_q, d_model)
      Restituzione produzione, pesi_attenzione

def point_wise_feed_forward_network(d_model, dff):
   Restituzione tf.keras.Sequential([
                tf.strati.duri.Densi(dff, attivazione='relu'),  # (dimensione del lotto, seq_len, dff)
                tf.strati.duri.Densi(d_model)  # (dimensione del lotto, seq_len, d_model)])

classe EncoderLayer(tf.duro.strati.Strato):
   def __dentro__(se stesso, d_model, num_heads, dff, Vota=0.1):
      super(EncoderLayer, se stesso).__dentro__()
      se stesso.mha = MultiHeadAttenzione(d_model, num_heads)
      se stesso.ffn = point_wise_feed_forward_network(d_model, dff)

      se stesso.layernorm1 = tf.hard.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)
      se stesso.layernorm2 = tf.hard.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)

      se stesso.dropout1 = tf.keras.layers.Dropout(Vota)
      se stesso.dropout2 = tf.keras.layers.Dropout(Vota)


   def chiamata(se stesso, X, addestramento, maschera=Nessuno):
      attn_output, _ = se stesso.mha(X, X, X, maschera)  # (dimensione del lotto, input_seq_len, d_model)
      attn_output = se stesso.abbandono1(attn_output, allenamento=allenamento)
      out1 = se stesso.norma livello1(X + attn_output)  # (dimensione del lotto, input_seq_len, d_model)

      ffn_output = se stesso.ffn(out1)  # (dimensione del lotto, input_seq_len, d_model)
      ffn_output = se stesso.abbandono2(ffn_output, allenamento=allenamento)
      out2 = se stesso.layerernorm2(out1 + ffn_output)  # (dimensione del lotto, input_seq_len, d_model)
      Restituzione out2

classe DecoderLayer(tf.duro.strati.Strato):
   def __dentro__(se stesso, d_model, num_heads, dff, Vota=0.1):
      super(DecoderLayer, se stesso).__dentro__()
      se stesso.mha1 = MultiHeadAttenzione(d_model, num_heads)
      se stesso.mha2 = MultiHeadAttenzione(d_model, num_heads)

      se stesso.ffn = point_wise_feed_forward_network(d_model, dff)

      se stesso.layernorm1 = tf.hard.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)
      se stesso.layernorm2 = tf.hard.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)
      se stesso.layernorm3 = tf.hard.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)

      se stesso.dropout1 = tf.keras.layers.Dropout(Vota)
      se stesso.dropout2 = tf.keras.layers.Dropout(Vota)
      se stesso.dropout3 = tf.keras.layers.Dropout(Vota)

   def chiamata(se stesso, X, enc_output, addestramento,look_ahead_mask=Nessuno, padding_mask=Nessuno):
      attenzione1, attn_weights_block1 = se stesso.mha1(X, X, X, look_ahead_mask)  # (dimensione del lotto, target_seq_len, d_model)
      attn1 = se stesso.abbandono1(attenzione1, allenamento=allenamento)
      out1 = se stesso.norma livello1(attenzione1 + X)

      attn2, attn_weights_block2 = se stesso.mha2(enc_output, enc_output, out1, padding_mask) 
      attn2 = se stesso.abbandono2(attn2, allenamento=allenamento)
      out2 = se stesso.layerernorm2(attn2 + out1)  # (dimensione del lotto, target_seq_len, d_model)

      ffn_output = se stesso.ffn(out2)  # (dimensione del lotto, target_seq_len, d_model)
      ffn_output = se stesso.abbandono3(ffn_output, allenamento=allenamento)
      out3 = se stesso.layerernorm3(ffn_output + out2)  # (dimensione del lotto, target_seq_len, d_model)

      Restituzione fuori3, attn_weights_block1, attn_weights_block2

classe Codificatore(tf.duro.strati.Strato):
   def __dentro__(se stesso, num_layers, d_model, num_heads, dff, dimensione_riga,col_size,Vota=0.1):
      super(Codificatore, se stesso).__dentro__()
      se stesso.d_model = d_model
      se stesso.num_layers = num_layers

      se stesso.embedding = tf.keras.layers.Dense(se stesso.d_model,attivazione='relu')
      se stesso.pos_encoding = positional_encoding_2d(dimensione_riga,col_size,se stesso.d_model)

      se stesso.enc_layers = [EncoderLayer(d_model, num_heads, dff, Vota) per _ in gamma(num_layers)]
      se stesso.dropout = tf.keras.layers.Dropout(Vota)

   def chiamata(se stesso, X, addestramento, maschera=Nessuno):
      seq_len = tf.shape(X)[1]
      x = se stesso.incorporamento(X)  # (dimensione del lotto, input_seq_len(H*W), d_model)
      x += se stesso.pos_encoding[:, :seq_len, :]
      x = se stesso.ritirarsi(X, allenamento=allenamento)

      per io in gamma(se stesso.num_layers):
         x = se stesso.enc_layers[io](X, addestramento, maschera)

      Restituzione X  # (dimensione del lotto, input_seq_len, d_model)

classe decodificatore(tf.duro.strati.Strato):
   def __dentro__(se stesso, num_layers,d_model,num_heads,dff, target_vocab_size, codifica_posizione_massima,   Vota=0.1):
      super(decodificatore, se stesso).__dentro__()
      se stesso.d_model = d_model
      se stesso.num_layers = num_layers

      se stesso.embedding = tf.keras.layers.Embedding(target_vocab_size, d_model)
      se stesso.pos_encoding = positional_encoding_1d(codifica_posizione_massima, d_model)

      se stesso.dec_layers = [DecoderLayer(d_model, num_heads, dff, Vota)
                         per _ in gamma(num_layers)]
      se stesso.dropout = tf.keras.layers.Dropout(Vota)

   def chiamata(se stesso, X, enc_output, addestramento,look_ahead_mask=Nessuno, padding_mask=Nessuno):
      seq_len = tf.shape(X)[1]
      pesi_attenzione = {}

      x = se stesso.incorporamento(X)  # (dimensione del lotto, target_seq_len, d_model)
      x *= tf.math.sqrt(tf.cast(se stesso.d_model, tf.float32))
      x += se stesso.pos_encoding[:, :seq_len, :]
      x = se stesso.ritirarsi(X, allenamento=allenamento)

      per io in gamma(se stesso.num_layers):
         X, blocco1, blocco2 = se stesso.dec_layers[io](X, enc_output, addestramento,
                                            look_ahead_mask, padding_mask)
         
         pesi_attenzione['decoder_layer{}_blocco1'.formato(io+1)] = blocco1
         pesi_attenzione['decoder_layer{}_blocco2'.formato(io+1)] = blocco2

      Restituzione X, pesi_attenzione

passo 7: – Trasformatore

classe Trasformatore(tf.duro.Modello):
   def __dentro__(se stesso, num_layers, d_model, num_heads, dff,dimensione_riga,col_size,
              target_vocab_size,max_pos_encoding, Vota=0.1):
      super(Trasformatore, se stesso).__dentro__()
      se stesso.codificatore = codificatore(num_layers, d_model, num_heads, dff,dimensione_riga,col_size, Vota)
      se stesso.decodificatore = decodificatore(num_layers, d_model, num_heads, dff,
                          target_vocab_size,max_pos_encoding, Vota)
      se stesso.final_layer = tf.keras.layers.Dense(target_vocab_size)

   def chiamata(se stesso, inp, catrame, addestramento,look_ahead_mask=Nessuno,dec_padding_mask=Nessuno,enc_padding_mask=Nessuno   ):
      enc_output = se stesso.codificatore(inp, addestramento, enc_padding_mask)  # (dimensione del lotto, inp_seq_len, d_model      )
      dec_output, pesi_attenzione = se stesso.decodificatore(
      catrame, enc_output, addestramento, look_ahead_mask, dec_padding_mask)
      final_output = se stesso.final_layer(dec_output)  # (dimensione del lotto, tar_seq_len, target_vocab_size)
      Restituzione output_finale, pesi_attenzione

passo 8: – Modello di iperparametro

Definire i parametri per l'allenamento:

num_layer = 4
d_model = 512
dff = 2048
num_heads = 8
dimensione_riga = 8
col_size = 8
target_vocab_size = top_k + 1
dropout_rate = 0.1 

classe Programma personalizzato(tf.duro.ottimizzatori.orari.Programma della velocità di apprendimento):
   def __dentro__(se stesso, d_model, warmup_steps=4000):
      super(Programma personalizzato, se stesso).__dentro__()
      se stesso.d_model = d_model
      se stesso.d_model = tf.cast(se stesso.d_model, tf.float32)
      se stesso.warmup_steps = warmup_steps

   def __chiamata__(se stesso, fare un passo):
      arg1 = tf.math.rsqrt(fare un passo)
      arg2 = passo * (se stesso.warmup_steps ** -1.5)
      Restituzione tf.math.rsqrt(se stesso.d_model) * tf.math.minimum(arg1, arg2)

learning_rate = CustomSchedule(d_model)
ottimizzatore = tf.hard.optimizers.Adam(tasso_di_apprendimento, beta_1=0.9, beta_2=0.98,
                                    epsilon=1e-9)
loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=Vero, riduzione='nessuno')

def loss_function(vero, pred):
   maschera = tf.math.logical_not(tf.math.uguale(vero, 0))
   perdita_ = perdita_oggetto(vero, pred)
   maschera = tf.cast(maschera, dtype=loss_.dtype)
   perdita_ *= maschera
  Restituzione tf.reduce_sum(perdita_)/tf.reduce_sum(maschera)

train_loss = tf.keras.metrics.Mean(nome="train_loss")
train_accuracy = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(nome="train_accuracy")
trasformatore = trasformatore(num_layer,d_model,num_heads,dff,dimensione_riga,col_size,target_vocab_size,                                 max_pos_encoding=target_vocab_size,rate=dropout_rate)

passo 9: – Formazione modello

def create_masks_decoder(catrame):
   look_ahead_mask = create_look_ahead_mask(forma.tf(catrame)[1])
   dec_target_padding_mask = create_padding_mask(catrame)
   maschera_combinata = tf.maximum(dec_target_padding_mask, look_ahead_mask)
   Restituzione maschera_combinata

@tf.funzione
def train_step(img_tensore, catrame):
   tar_inp = tar[:, :-1]
   tar_real = tar[:, 1:]
   dec_mask = create_masks_decoder(tar_inp)
   insieme a tf.GradientTape() come nastro:
      predizioni, _ = trasformatore(img_tensore, tar_inp,Vero, maschera_dec)
      perdita = funzione_perdita(tar_real, predizioni)

   gradients = tape.gradient(perdita, trasformatore.trainable_variables)   
   ottimizzatore.apply_gradients(cerniera lampo(gradienti, trasformatore.trainable_variables))
   train_loss(perdita)
   train_accuracy(tar_real, predizioni)

per epoca in gamma(30):
   inizio = ora.ora()
   train_loss.reset_states()
   train_accuracy.reset_states()
   per (lotto, (img_tensore, catrame)) in enumerare(set di dati):
      train_step(img_tensore, catrame)
      Se lotto % 50 == 0:
         Stampa ('Epoca {} Lotto {} Perdita {:.4F} Precisione {:.4F}'.formato(
         epoca + 1, lotto, train_loss.result(), train_accuracy.result()))

   Stampa ('Epoca {} Perdita {:.4F} Precisione {:.4F}'.formato(epoca + 1,
                                               train_loss.result(),
                                               train_accuracy.result()))
   Stampa ('Tempo impiegato per 1 epoca: {} secn'.formato(tempo.tempo() - cominciare))

passo 10: – Valutazione BLEU

def valutare(Immagine):
   temp_input = tf.expand_dims(load_image(Immagine)[0], 0)
   img_tensor_val = image_features_extract_model(input_temp)
   img_tensor_val = tf.reshape(img_tensor_val, (img_tensor_val.shape[0], -1, img_tensor_val.shape[3]))
   start_token = tokenizer.word_index['<cominciare>']
   end_token = tokenizer.word_index['<fine>']
   decoder_input = [start_token]
   output = tf.expand_dims(ingresso_decodificatore, 0) #gettoni
   risultato = [] #lista di parole

   Fo io in gamma(100):
      dec_mask = create_masks_decoder(produzione)
      predizioni, pesi_attenti = trasformatore(img_tensor_val,produzione,falso,maschera_dec)
      previsioni = previsioni[: ,-1:, :]  # (dimensione del lotto, 1, vocab_size)
      id_predetto = tf.cast(tf.argmax(predizioni, asse=-1), tf.int32)
      Se id_predetto == token_finale:
         Restituzione risultato,tf.squeeze(produzione, asse=0), pesi_attenzione
      risultato.append(tokenizer.index_word[int(id_predetto)])
      output = tf.concat([produzione, id_predetto], asse=-1)

   Restituzione risultato,tf.squeeze(produzione, asse=0), pesi_attenzione

rid = np.random.randint(0, len(img_name_val))
immagine = img_name_val[sbarazzarsi]
didascalia_reale = ' '.aderire([tokenizer.index_word[io] per io in cap_val[sbarazzarsi] Se io non in [0]])
didascalia,risultato,pesi_attenzione = valutare(Immagine)

primo = real_caption.split(' ', 1)[1]
real_caption = first.rsplit(' ', 1)[0]

per io in didascalia:
   Se io=="<unk>":
      didascalia.rimuovi(io)

per io in didascalia_reale:
   Se io=="<unk>":
      real_caption.remove(io)

risultato_unione = ' '.aderire(didascalia)
result_final = result_join.rsplit(' ', 1)[0]
real_appn = []
real_appn.append(real_caption.split())
riferimento = real_appn
candidato = didascalia

punteggio = frase_bleu(riferimento, candidato, pesi=(1.0,0,0,0))
Stampa(F"BLU-1 punteggio: {punteggio*100}")
punteggio = frase_bleu(riferimento, candidato, pesi=(0.5,0.5,0,0))
Stampa(F"BLU-2 punteggio: {punteggio*100}")
punteggio = frase_bleu(riferimento, candidato, pesi=(0.3,0.3,0.3,0))
Stampa(F"BLU-3 punteggio: {punteggio*100}")
punteggio = frase_bleu(riferimento, candidato, pesi=(0.25,0.25,0.25,0.25))
Stampa(F"BLU-4 punteggio: {punteggio*100}")
Stampa ("Didascalia reale":', didascalia_reale)
Stampa ("Didascalia prevista":', ' '.aderire(didascalia))
temp_image = np.array(Immagine.aprire(Immagine))
plt.imshow(temp_image)

Produzione:

rid = np.random.randint(0, len(img_name_val))
immagine = img_name_val[sbarazzarsi]
didascalia_reale = ' '.aderire([tokenizer.index_word[io] per io in cap_val[sbarazzarsi] Se io non in [0]])
didascalia,risultato,pesi_attenzione = valutare(Immagine)

primo = real_caption.split(' ', 1)[1]
real_caption = first.rsplit(' ', 1)[0]

per io in didascalia:
   Se io=="<unk>":
      didascalia.rimuovi(io)

per io in didascalia_reale:
   Se io=="<unk>":
      real_caption.remove(io)

risultato_unione = ' '.aderire(didascalia)
result_final = result_join.rsplit(' ', 1)[0]
real_appn = []
real_appn.append(real_caption.split())
riferimento = real_appn
candidato = didascalia

punteggio = frase_bleu(riferimento, candidato, pesi=(1.0,0,0,0))
Stampa(F"BLU-1 punteggio: {punteggio*100}")
punteggio = frase_bleu(riferimento, candidato, pesi=(0.5,0.5,0,0))
Stampa(F"BLU-2 punteggio: {punteggio*100}")
punteggio = frase_bleu(riferimento, candidato, pesi=(0.3,0.3,0.3,0))
Stampa(F"BLU-3 punteggio: {punteggio*100}")
punteggio = frase_bleu(riferimento, candidato, pesi=(0.25,0.25,0.25,0.25))
Stampa(F"BLU-4 punteggio: {punteggio*100}")
Stampa ("Didascalia reale":', didascalia_reale)
Stampa ("Didascalia prevista":', ' '.aderire(didascalia))
temp_image = np.array(Immagine.aprire(Immagine))
plt.imshow(temp_image)

Produzione:

passo 11: – Confronto

Confrontiamo i punteggi BLEU ottenuti nell'articolo precedente utilizzando l'Attenzione di Bahdanau rispetto ai nostri Transformers.

I punteggi BLEU a sinistra usano l'attenzione di Bahdanau e i punteggi BLEU a destra usano Transformers. Come possiamo vedere, Il trasformatore funziona molto meglio di un semplice modello di cura.

Ed eccolo! Abbiamo implementato con successo i trasformatori utilizzando Tensorflow e abbiamo visto come può produrre risultati all'avanguardia..

Note finali

In sintesi, I trasformatori sono migliori di tutte le altre architetture che abbiamo visto prima perché evitano totalmente la ricorsione, elaborando le frasi nel loro insieme e imparando le relazioni tra le parole grazie a meccanismi di attenzione a più teste e incorporamenti posizionali. Va inoltre notato che i trasformatori che utilizzano Tensorflow possono acquisire solo dipendenze all'interno della dimensione di ingresso fissa utilizzata per addestrarli.

Ci sono molti trasformatori nuovi e potenti come Transformer-XL, Trasformatore aggrovigliato, Trasformatore di memoria mesh che può essere implementato anche per applicazioni come Image Captions per ottenere risultati ancora migliori.

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