CNN模型和RNN模型在分类问题中的应用（Tensorflow实现）

在这篇文章中，我们将实现一个卷积神经网络和一个循环神经网络语句分类模型。 本文提到的模型（rnn和cnn）在一系列文本分类任务（如情绪分析）中实现了良好的分类性能，并且由于模型简单，方便实现，成为了竞赛和实战中常用的baseline。

cnn-text-classification-tf博客，使用CNN做文本分类项目，start两千多。阅读这个项目源码，可以了解tensorflow构建项目的关键步骤，可以养成良好的代码习惯，这在初学者来说是很重要的。原始论文Convolutional Neural Networks for Sentence Classification

rnn-text-classification-tf，是我以CNN的源码基础，使用RNN做文本分类项目，实现了类似的分类性能。下面只讲解CNN，略过RNN，感兴趣的同学可以把RNN也clone下来自己跑一边。自行给出两个代码的性能比较。

数据处理

数据集是 Movie Review data from Rotten Tomatoes，也是原始文献中使用的数据集之一。 数据集包含,包含5331个积极的评论和5331个消极评论，正负向各占一半。 数据集不附带拆分的训练/测试集，因此我们只需将10％的数据用作 dev set。数据集过小容易过拟合，可以进行10交叉验证。在github项目中只是crude将数据集以9:1的比例拆为训练集和验证集。

步骤：

1. 加载两类数据

2. 文本数据清洗

3. 把每个句子填充到最大的句子长度，填充字符是，使得每个句子都包含59个单词。相同的长度有利于进行高效的批处理

4. 根据所有单词的词表，建立一个索引，用一个整数代表一个词，则每个句子由一个整数向量表示

# Load data
print("Loading data...")
x_text, y = data_helpers.load_data_and_labels(FLAGS.positive_data_file, FLAGS.negative_data_file)

# Build vocabulary
max_document_length = max([len(x.split(" ")) for x in x_text])
vocab_processor = learn.preprocessing.VocabularyProcessor(max_document_length)
x = np.array(list(vocab_processor.fit_transform(x_text)))

# Randomly shuffle data
np.random.seed(10)
shuffle_indices = np.random.permutation(np.arange(len(y)))
x_shuffled = x[shuffle_indices]
y_shuffled = y[shuffle_indices]

# Split train/test set
# TODO: This is very crude, should use cross-validation
dev_sample_index = -1 * int(FLAGS.dev_sample_percentage * float(len(y)))
x_train, x_dev = x_shuffled[:dev_sample_index], x_shuffled[dev_sample_index:]
y_train, y_dev = y_shuffled[:dev_sample_index], y_shuffled[dev_sample_index:]
print("Vocabulary Size: {:d}".format(len(vocab_processor.vocabulary_)))
print("Train/Dev split: {:d}/{:d}".format(len(y_train), len(y_dev)))

模型构建

模型结构图为：



在github项目中，对该模型有适当的改变。第一层把词嵌入到低维向量；第二层使用多个不同大小的filter进行卷积（分别为3,4,5）；第三层用max-pool把第二层多个filter的结果转换成一个长的特征向量并加入dropout正规化；第四层用softmax进行分类。

# Embedding layer
with tf.device('/cpu:0'), tf.name_scope("embedding"):
self.W = tf.Variable(
tf.random_uniform([vocab_size, embedding_size], -1.0, 1.0),
name="W")
self.embedded_chars = tf.nn.embedding_lookup(self.W, self.input_x)
self.embedded_chars_expanded = tf.expand_dims(self.embedded_chars, -1)

# Create a convolution + maxpool layer for each filter size
pooled_outputs = []
for i, filter_size in enumerate(filter_sizes):
with tf.name_scope("conv-maxpool-%s" % filter_size):
# Convolution Layer
filter_shape = [filter_size, embedding_size, 1, num_filters]
W = tf.Variable(tf.truncated_normal(filter_shape, stddev=0.1), name="W")
b = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_filters]), name="b")
conv = tf.nn.conv2d(
self.embedded_chars_expanded,
W,
strides=[1, 1, 1, 1],
padding="VALID",
name="conv")
# Apply nonlinearity
h = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv, b), name="relu")
# Maxpooling over the outputs
pooled = tf.nn.max_pool(
h,
ksize=[1, sequence_length - filter_size + 1, 1, 1],
strides=[1, 1, 1, 1],
padding='VALID',
name="pool")
pooled_outputs.append(pooled)

# Combine all the pooled features
num_filters_total = num_filters * len(filter_sizes)
self.h_pool = tf.concat(pooled_outputs, 3)
self.h_pool_flat = tf.reshape(self.h_pool, [-1, num_filters_total])

# Add dropout
with tf.name_scope("dropout"):
self.h_drop = tf.nn.dropout(self.h_pool_flat, self.dropout_keep_prob)

# Final (unnormalized) scores and predictions
with tf.name_scope("output"):
W = tf.get_variable(
"W",
shape=[num_filters_total, num_classes],
initializer=tf.contrib.layers.xavier_initializer())
b = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_classes]), name="b")
l2_loss += tf.nn.l2_loss(W)
l2_loss += tf.nn.l2_loss(b)
self.scores = tf.nn.xw_plus_b(self.h_drop, W, b, name="scores")
self.predictions = tf.argmax(self.scores, 1, name="predictions")

模型训练

模型训练部分的代码都是固定的套路，熟悉以后非常方便写出来。

1. summaries汇总

tensorflow提供了各方面的汇总信息，方便跟踪和可视化训练和预测的过程。summaries是一个序列化的对象，通过SummaryWriter写入到光盘

2. checkpointing检查点

用于保存训练参数，方便选择最优的参数，使用tf.train.saver()进行保存

3. 变量初始化

sess.run(tf.initialize_all_variables())，用于初始化所有我们定义的变量，也可以对特定的变量手动调用初始化，如预训练好的词向量

4. 定义单一的训练步骤

定义一个函数用于模型评价、更新批量数据和更新模型参数

feed_dict中包含了我们在网络中定义的占位符的数据，必须要对所有的占位符进行赋值，否则会报错

train_op不返回结果，只是更新网络的参数

5. 训练循环

遍历数据并对每次遍历数据调用train_step函数，并定期打印模型评价和检查点

训练结果

这里上传博客中的两个结果图，上图为loss变化，下图为accuracy的变化。实际仿真结果和下图相同，在测试集上的准确率为0.6-0.7之间，效果并不是很好。原因如下：



1. 训练的指标不是平滑的，原因是我们每个批处理的数据过少

2. 训练集正确率过高，测试集正确率过低，过拟合。避免过拟合：更多的数据；更强的正规化；更少的模型参数。例如对最后一层的权重进行L2惩罚，使得正确率提升到76%，接近原始paper。