Attention机制总结

Attention:

感兴趣区域ROI和定位机制。

每一步只关注特定小区域，抽取区域表征信息，再整合到之前的步骤所积累的信息中。

Soft attention: 以概率进行加权输入到下一层；

Hard attention: 选取一个输入到下一层。

策略梯度的强化学习技术 使得训练定位小框位置变得可能，在每次探索中，如果分类模块能正确预测，给与正反馈，强化对这个位置的选择，反之则给负反馈。

一瞥模块：接收一个位置的二维向量作为输入 画出小框提取特征再结合位置信息 得到中间向量z。

循环模块：接收中间向量z 包含2层RNN，下层主要积累识别的信息 上层主要预测位置。

发射模块：上层RNN输出的累积位置信息（隐层的高维向量）映射成二维位置向量，并进行高斯采样。

分类模块：根据下层 RNN的输出向量进行预测。

上下文模块：解决第一步往哪儿看的问题 接收整张图怓 输出初始状态向量作为上层RNN的初始输入得到第一个glimpse的位置

将输入分解成序列化的 同时学习 where and what的思想就是attention的核心

在序列到序列的模型中（sequence2sequence）：

Attention机制是连接编码层和解码层的一个通道。由于我们在编码（encoder）过程中保留每个RNN单元的隐藏状态（hidden state）得到（h1……hN）。而后对于解码（decoder）过程中每一个timestep，因为有此时decoder的输入和上一步隐藏状态的输出，计算得到当前步的隐藏状态。假设第t步的隐藏状态为St（当前输入和上一步隐藏状态）。

在每个第t步利用St和每个编码过程中的隐藏状态hi进行dot点积得到attention score，也称为相似度或影响得分。即每个编码过程的隐藏状态对当前的输出St的一个贡献度。计算公式如下：（此处按照斯坦福大学教材上用st和hi计算，原始论文为st-1）。

之后用softmax将attention-score转换为概率分布。按照概率分布将隐藏状态转换成加权和。公式如下：

上下文（attention）向量c计算公式

由此得到上下文向量c（或者是注意力向量）。

最后将注意力向量ct和decoder的t时刻的隐藏状态St并联起来，继续之后步骤。

其图示如下：

原文图示

原文阐述

Attention的通用定义如下：

给定一组向量集合values，以及查询向量query，我们根据query向量去计算values加权和，即成为attention机制。

attention的重点即为求这个集合values中每个value的权值。我们也称attention的机制叫做query的输出关注了（考虑到了）原文的不同部分。

如seq2seq模型中，St是后面的query向量，而编码过程的隐藏状态hi是values。其就是根据某些规则（或额外信息query）从向量表达集合values中抽取特定的向量进行加权组合的方法，只要从部分向量里用了加权和，计算使用了attention机制。

如何改进或创新attention机制：

1．在向量加权和上做文章。

2．在匹配度的计算方式上做文章。

针对向量计算方式的变体：

soft / global / dynamic (都是soft attention)

hard

local attention(半软半硬attention)

静态attention

强制前向attention

soft / global / dynamic (都是soft attention)

是求概率分布，就是对于任意一个单词或者values都给出概率，attention得分经过softmax后权值用aph表示，把attention向量用ct表示。

hard attention

一般用在图像中 只选中一个区域，只选1个，其余为0。

local attention(半软半硬attention)

先选中一个区域，然后在其中的各个小部分生成概率分布。

论文：Effective Approaches to Attention-based Neural Machine Translation

在这个模型中，对于是时刻t的每一个目标词汇，模型首先产生一个对齐的位置 pt（aligned position），context vector 由编码器中一个集合的隐藏层状态计算得到，编码器中的隐藏层包含在窗口[pt-D,pt+D]中，D的大小通过经验选择。

上式之中，大S指的是源句子的长度，Wp和vp是指的模型的参数，通过训练得到，为了支持pt附近的对齐点，设置一个围绕pt的高斯分布，其中小s是在以pt为中心的窗口中的整数，pt是一个在[0，S]之间的实数。小Sigma σ 一般取窗口大小的一半。

静态attention

对输出句子共用一个St。一般在BiLstm首位hidden state输出拼接起来作为St(图中为u)。

针对attention-score计算的变体：

三种计算score的方法公式

第一个，s和hi的维数要一样。

第二个W矩阵是训练得到的参数，维度是d2 x d1，d2是s的hidden state输出维数，d1是hi的hidden state维数，也就是两者可以不同维度。

最后就是上面提到的additive attention，是对两种hidden state 分别再训练矩阵然后激活过后再乘以一个参数向量变成一个得分。

其中，W1 = d3xd1，W2 = d3xd2，v = d3x1 ，d1，d2，d3分别为h,s,v的维数，属于超参数。

Self- attention

在没有额外信息下，仍然可以允许向量values使用self attention来处理自己，从句子中提取需要关注的信息。

1. 以当前的隐藏状态去计算和前面的隐藏状态的得分，作为当前隐藏单元的attention score，例如

第一种计算方法

2.以当前状态本身去计算得分作为当前单元attention score，这种方式更常见，也更简单，例如：

第二种计算方法

key-values attention

即将hi 隐藏状态拆分成两部分一部分是key(i) 一部分是values(i)然后只针对key部分计算attention的权值，然后加权使用values部分的值进行加权求和。

key-values计算公式

Multi-head attention:

首先，google先定义了一下attention的计算，也是定义出key，value，query三个元素（在seq2seq里面，query是st，key和value都是hi）在self 里面，query 是当前要计算的hi，k和v仍然一样，是其他单元的hidden state。在key value attention里面key和value则是分开了的。

然后除以了一下根号dk，为了让内积不至于太大（太大的话softmax后就非0即1了，不够“soft”了）

这里我们不妨假设，Q是

维，K是image.png维，v是

维，忽略归一化和softmax的话就是三个矩阵相乘，得到的是ndv的矩阵。我们可以说，通过这么一个attention层，就将一个

的序列****Q****，提取信息编码成

的序列了。*

Wi用来先在算attention对三个矩阵做不同的矩阵变换映射一下，变成nxdk’，mxdk’，mxdv’维度。

最后做并联，有点类似于inception 里面多个卷积核的feature map并联的感觉。附：多核卷积示意图。

多核卷积示意图

部分内容参考CSDN：https://blog.csdn.net/hahajinbu/article/details/81940355