# 从零开始的 NLP:使用字符级 RNN 分类名称 > 原文: **作者**: [Sean Robertson](https://github.com/spro/practical-pytorch) 我们将建立和训练基本的字符级 RNN 对单词进行分类。 本教程与以下两个教程一起,展示了如何“从头开始”进行 NLP 建模的预处理数据,特别是不使用`torchtext`的许多便利函数,因此您可以了解 NLP 建模的预处理如何在低水平上工作。 字符级 RNN 将单词作为一系列字符读取-在每个步骤输出预测和“隐藏状态”,将其先前的隐藏状态输入到每个下一步。 我们将最终的预测作为输出,即单词属于哪个类别。 具体来说,我们将训练来自 18 种起源语言的数千种姓氏,并根据拼写方式预测名称的来源: ```py $ python predict.py Hinton (-0.47) Scottish (-1.52) English (-3.57) Irish $ python predict.py Schmidhuber (-0.19) German (-2.48) Czech (-2.68) Dutch ``` **推荐读物**: 我假设您至少已经安装了 PyTorch,Python 和 Tensors: * [安装说明](https://pytorch.org/) * [使用 PyTorch 进行深度学习:60 分钟的突击](../beginner/deep_learning_60min_blitz.html)通常开始使用 PyTorch * [使用示例学习 PyTorch](../beginner/pytorch_with_examples.html) * [PyTorch(面向以前的 Torch 用户)](../beginner/former_torchies_tutorial.html)(如果您以前是 Lua Torch 用户) 了解 RNN 及其工作方式也将很有用: * [《循环神经网络的不合理有效性》](https://karpathy.github.io/2015/05/21/rnn-effectiveness/)显示了许多现实生活中的例子 * [《了解 LSTM 网络》](https://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/)特别是关于 LSTM 的,但一般来说也有关 RNN 的 ## 准备数据 注意 从的下载数据,并将其提取到当前目录。 `data/names`目录中包含 18 个文本文件,名称为`[Language].txt`。 每个文件包含一堆名称,每行一个名称,大多数是罗马化的(但我们仍然需要从 Unicode 转换为 ASCII)。 我们将得到一个字典,其中列出了每种语言的名称列表`{language: [names ...]}`。 通用变量“类别”和“行”(在本例中为语言和名称)用于以后的扩展。 ```py from __future__ import unicode_literals, print_function, division from io import open import glob import os def findFiles(path): return glob.glob(path) print(findFiles('data/names/*.txt')) import unicodedata import string all_letters = string.ascii_letters + " .,;'" n_letters = len(all_letters) # Turn a Unicode string to plain ASCII, thanks to https://stackoverflow.com/a/518232/2809427 def unicodeToAscii(s): return ''.join( c for c in unicodedata.normalize('NFD', s) if unicodedata.category(c) != 'Mn' and c in all_letters ) print(unicodeToAscii('Ślusàrski')) # Build the category_lines dictionary, a list of names per language category_lines = {} all_categories = [] # Read a file and split into lines def readLines(filename): lines = open(filename, encoding='utf-8').read().strip().split('\n') return [unicodeToAscii(line) for line in lines] for filename in findFiles('data/names/*.txt'): category = os.path.splitext(os.path.basename(filename))[0] all_categories.append(category) lines = readLines(filename) category_lines[category] = lines n_categories = len(all_categories) ``` 出: ```py ['data/names/French.txt', 'data/names/Czech.txt', 'data/names/Dutch.txt', 'data/names/Polish.txt', 'data/names/Scottish.txt', 'data/names/Chinese.txt', 'data/names/English.txt', 'data/names/Italian.txt', 'data/names/Portuguese.txt', 'data/names/Japanese.txt', 'data/names/German.txt', 'data/names/Russian.txt', 'data/names/Korean.txt', 'data/names/Arabic.txt', 'data/names/Greek.txt', 'data/names/Vietnamese.txt', 'data/names/Spanish.txt', 'data/names/Irish.txt'] Slusarski ``` 现在我们有了`category_lines`,这是一个字典,将每个类别(语言)映射到行(名称)列表。 我们还跟踪了`all_categories`(只是语言列表)和`n_categories`,以供以后参考。 ```py print(category_lines['Italian'][:5]) ``` 出: ```py ['Abandonato', 'Abatangelo', 'Abatantuono', 'Abate', 'Abategiovanni'] ``` ### 将名称转换为张量 现在我们已经组织了所有名称,我们需要将它们转换为张量以使用它们。 为了表示单个字母,我们使用大小为`<1 x n_letters>`的单热向量。 单热向量用 0 填充,但当前字母的索引处的数字为 1,例如 `"b" = <0 1 0 0 0 ...>`。 为了制造一个单词,我们将其中的一些连接成 2D 矩阵``。 额外的 1 维是因为 PyTorch 假定所有内容都是成批的-在这里我们仅使用 1 的批量大小。 ```py import torch # Find letter index from all_letters, e.g. "a" = 0 def letterToIndex(letter): return all_letters.find(letter) # Just for demonstration, turn a letter into a <1 x n_letters> Tensor def letterToTensor(letter): tensor = torch.zeros(1, n_letters) tensor[0][letterToIndex(letter)] = 1 return tensor # Turn a line into a , # or an array of one-hot letter vectors def lineToTensor(line): tensor = torch.zeros(len(line), 1, n_letters) for li, letter in enumerate(line): tensor[li][0][letterToIndex(letter)] = 1 return tensor print(letterToTensor('J')) print(lineToTensor('Jones').size()) ``` 出: ```py tensor([[0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 1., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.]]) torch.Size([5, 1, 57]) ``` ## 创建网络 在进行自动微分之前,在 Torch 中创建一个循环神经网络涉及在多个时间步长上克隆层的参数。 层保留了隐藏状态和梯度,这些层现在完全由图本身处理。 这意味着您可以非常“纯”的方式将 RNN 用作常规前馈层。 该 RNN 模块(主要从[面向 Torch 用户的 PyTorch 教程](https://pytorch.org/tutorials/beginner/former_torchies/nn_tutorial.html#example-2-recurrent-net)复制)只有两个线性层,它们在输入和隐藏状态下运行,在输出之后是`LogSoftmax`层。 ![](img/592fae78143370fffc1d0c7957706384.png) ```py import torch.nn as nn class RNN(nn.Module): def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size): super(RNN, self).__init__() self.hidden_size = hidden_size self.i2h = nn.Linear(input_size + hidden_size, hidden_size) self.i2o = nn.Linear(input_size + hidden_size, output_size) self.softmax = nn.LogSoftmax(dim=1) def forward(self, input, hidden): combined = torch.cat((input, hidden), 1) hidden = self.i2h(combined) output = self.i2o(combined) output = self.softmax(output) return output, hidden def initHidden(self): return torch.zeros(1, self.hidden_size) n_hidden = 128 rnn = RNN(n_letters, n_hidden, n_categories) ``` 要运行此网络的步骤,我们需要传递输入(在本例中为当前字母的张量)和先前的隐藏状态(首先将其初始化为零)。 我们将返回输出(每种语言的概率)和下一个隐藏状态(我们将其保留用于下一步)。 ```py input = letterToTensor('A') hidden =torch.zeros(1, n_hidden) output, next_hidden = rnn(input, hidden) ``` 为了提高效率,我们不想为每个步骤创建一个新的张量,因此我们将使用`lineToTensor`而不是`letterToTensor`并使用切片。 这可以通过预先计算一批张量来进一步优化。 ```py input = lineToTensor('Albert') hidden = torch.zeros(1, n_hidden) output, next_hidden = rnn(input[0], hidden) print(output) ``` 出: ```py tensor([[-2.8934, -2.7991, -2.8549, -2.8915, -2.9122, -2.9010, -2.8979, -2.8875, -2.8256, -2.8792, -2.8712, -2.8465, -2.9582, -3.0171, -2.8308, -2.9629, -2.9233, -2.8979]], grad_fn=) ``` 如您所见,输出为`<1 x n_categories>`张量,其中每个项目都是该类别的可能性(可能性更大)。 ## 训练 ### 准备训练 在接受训练之前,我们应该做一些辅助函数。 首先是解释网络的输出,我们知道这是每个类别的可能性。 我们可以使用`Tensor.topk`获得最大值的索引: ```py def categoryFromOutput(output): top_n, top_i = output.topk(1) category_i = top_i[0].item() return all_categories[category_i], category_i print(categoryFromOutput(output)) ``` 出: ```py ('Czech', 1) ``` 我们还将希望有一种快速的方法来获取训练示例(名称及其语言): ```py import random def randomChoice(l): return l[random.randint(0, len(l) - 1)] def randomTrainingExample(): category = randomChoice(all_categories) line = randomChoice(category_lines[category]) category_tensor = torch.tensor([all_categories.index(category)], dtype=torch.long) line_tensor = lineToTensor(line) return category, line, category_tensor, line_tensor for i in range(10): category, line, category_tensor, line_tensor = randomTrainingExample() print('category =', category, '/ line =', line) ``` 出: ```py category = Chinese / line = Jia category = Korean / line = Son category = Czech / line = Matocha category = Dutch / line = Nifterik category = German / line = Dreschner category = Irish / line = Names category = French / line = Charpentier category = Italian / line = Carboni category = Irish / line = Shannon category = German / line = Adam ``` ### 训练网络 现在,训练该网络所需要做的就是向它展示大量示例,进行猜测,并告诉它是否错误。 对于损失函数,`nn.NLLLoss`是适当的,因为 RNN 的最后一层是`nn.LogSoftmax`。 ```py criterion = nn.NLLLoss() ``` 每个训练循环将: * 创建输入和目标张量 * 创建归零的初始隐藏状态 * 阅读每个字母 * 保存下一个字母的隐藏状态 * 比较最终输出与目标 * 反向传播 * 返回输出和损失 ```py learning_rate = 0.005 # If you set this too high, it might explode. If too low, it might not learn def train(category_tensor, line_tensor): hidden = rnn.initHidden() rnn.zero_grad() for i in range(line_tensor.size()[0]): output, hidden = rnn(line_tensor[i], hidden) loss = criterion(output, category_tensor) loss.backward() # Add parameters' gradients to their values, multiplied by learning rate for p in rnn.parameters(): p.data.add_(p.grad.data, alpha=-learning_rate) return output, loss.item() ``` 现在,我们只需要运行大量示例。 由于`train`函数返回输出和损失,因此我们可以打印其猜测并跟踪作图的损失。 因为有 1000 个示例,所以我们仅打印每个`print_every`示例,并对损失进行平均。 ```py import time import math n_iters = 100000 print_every = 5000 plot_every = 1000 # Keep track of losses for plotting current_loss = 0 all_losses = [] def timeSince(since): now = time.time() s = now - since m = math.floor(s / 60) s -= m * 60 return '%dm %ds' % (m, s) start = time.time() for iter in range(1, n_iters + 1): category, line, category_tensor, line_tensor = randomTrainingExample() output, loss = train(category_tensor, line_tensor) current_loss += loss # Print iter number, loss, name and guess if iter % print_every == 0: guess, guess_i = categoryFromOutput(output) correct = '✓' if guess == category else '✗ (%s)' % category print('%d %d%% (%s) %.4f %s / %s %s' % (iter, iter / n_iters * 100, timeSince(start), loss, line, guess, correct)) # Add current loss avg to list of losses if iter % plot_every == 0: all_losses.append(current_loss / plot_every) current_loss = 0 ``` 出: ```py 5000 5% (0m 15s) 2.5667 Ly / Chinese ✗ (Vietnamese) 10000 10% (0m 26s) 2.3171 Rocha / Japanese ✗ (Portuguese) 15000 15% (0m 37s) 2.2941 Gouveia / Spanish ✗ (Portuguese) 20000 20% (0m 49s) 1.3015 Lippi / Italian ✓ 25000 25% (1m 1s) 0.7693 Thuy / Vietnamese ✓ 30000 30% (1m 13s) 1.9341 Murray / Arabic ✗ (Scottish) 35000 35% (1m 25s) 2.3633 Busto / Scottish ✗ (Italian) 40000 40% (1m 38s) 1.0401 Chung / Chinese ✗ (Korean) 45000 45% (1m 50s) 0.0499 Filipowski / Polish ✓ 50000 50% (2m 2s) 0.2598 Mccallum / Scottish ✓ 55000 55% (2m 14s) 4.5375 Mozdzierz / German ✗ (Polish) 60000 60% (2m 26s) 1.7194 Talalihin / Irish ✗ (Russian) 65000 65% (2m 38s) 0.1150 Ziemniak / Polish ✓ 70000 70% (2m 51s) 1.8548 Pharlain / Scottish ✗ (Irish) 75000 75% (3m 3s) 2.1362 Prehatney / Russian ✗ (Czech) 80000 80% (3m 15s) 0.4166 Leclerc / French ✓ 85000 85% (3m 27s) 1.4189 Elford / English ✓ 90000 90% (3m 39s) 2.1959 Gagnon / Scottish ✗ (French) 95000 95% (3m 51s) 0.1622 Bukoski / Polish ✓ 100000 100% (4m 3s) 1.3180 Faucheux / French ✓ ``` ### 绘制结果 从`all_losses`绘制历史损失可显示网络学习情况: ```py import matplotlib.pyplot as plt import matplotlib.ticker as ticker plt.figure() plt.plot(all_losses) ``` ![../_img/sphx_glr_char_rnn_classification_tutorial_001.png](img/cc57a36a43d450df4bfc1d1d1b1ce274.png) ## 评估结果 为了查看网络在不同类别上的表现如何,我们将创建一个混淆矩阵,为每种实际语言(行)指示网络猜测(列)哪种语言。 为了计算混淆矩阵,使用`evaluate()`通过网络运行一堆样本,该样本等于`train()`减去反向传播器。 ```py # Keep track of correct guesses in a confusion matrix confusion = torch.zeros(n_categories, n_categories) n_confusion = 10000 # Just return an output given a line def evaluate(line_tensor): hidden = rnn.initHidden() for i in range(line_tensor.size()[0]): output, hidden = rnn(line_tensor[i], hidden) return output # Go through a bunch of examples and record which are correctly guessed for i in range(n_confusion): category, line, category_tensor, line_tensor = randomTrainingExample() output = evaluate(line_tensor) guess, guess_i = categoryFromOutput(output) category_i = all_categories.index(category) confusion[category_i][guess_i] += 1 # Normalize by dividing every row by its sum for i in range(n_categories): confusion[i] = confusion[i] / confusion[i].sum() # Set up plot fig = plt.figure() ax = fig.add_subplot(111) cax = ax.matshow(confusion.numpy()) fig.colorbar(cax) # Set up axes ax.set_xticklabels([''] + all_categories, rotation=90) ax.set_yticklabels([''] + all_categories) # Force label at every tick ax.xaxis.set_major_locator(ticker.MultipleLocator(1)) ax.yaxis.set_major_locator(ticker.MultipleLocator(1)) # sphinx_gallery_thumbnail_number = 2 plt.show() ``` ![../_img/sphx_glr_char_rnn_classification_tutorial_002.png](img/029a9d26725997aae97e9e3f6f10067f.png) 您可以从主轴上挑出一些亮点,以显示它猜错了哪些语言,例如中文(朝鲜语)和西班牙语(意大利语)。 它似乎与希腊语搭配得很好,而与英语搭配得很差(可能是因为与其他语言重叠)。 ### 在用户输入上运行 ```py def predict(input_line, n_predictions=3): print('\n> %s' % input_line) with torch.no_grad(): output = evaluate(lineToTensor(input_line)) # Get top N categories topv, topi = output.topk(n_predictions, 1, True) predictions = [] for i in range(n_predictions): value = topv[0][i].item() category_index = topi[0][i].item() print('(%.2f) %s' % (value, all_categories[category_index])) predictions.append([value, all_categories[category_index]]) predict('Dovesky') predict('Jackson') predict('Satoshi') ``` 出: ```py > Dovesky (-0.82) Russian (-1.06) Czech (-2.22) Polish > Jackson (-0.63) English (-1.75) Scottish (-1.75) Russian > Satoshi (-0.97) Japanese (-1.50) Polish (-2.13) Italian ``` 实际 PyTorch 存储库中的脚本的[最终版本](https://github.com/spro/practical-pytorch/tree/master/char-rnn-classification)将上述代码分成几个文件: * `data.py`(加载文件) * `model.py`(定义 RNN) * `train.py`(进行训练) * `predict.py`(使用命令行参数运行`predict()`) * `server.py`(通过`bottle.py`将预测用作 JSON API) 运行`train.py`训练并保存网络。 使用名称运行`predict.py`以查看预测: ```py $ python predict.py Hazaki (-0.42) Japanese (-1.39) Polish (-3.51) Czech ``` 运行`server.py`并访问`http://localhost:5533/Yourname`以获取预测的 JSON 输出。 ## 练习 * 尝试使用行 -> 类别的其他数据集,例如: * 任何单词 -> 语言 * 名称 -> 性别 * 角色名称 -> 作家 * 页面标题 -> 博客或 subreddit * 通过更大和/或形状更好的网络获得更好的结果 * 添加更多线性层 * 尝试`nn.LSTM`和`nn.GRU`层 * 将多个这些 RNN 合并为更高级别的网络 **脚本的总运行时间**:(4 分钟 15.239 秒) [下载 Python 源码:`char_rnn_classification_tutorial.py`](../_downloads/ccb15f8365bdae22a0a019e57216d7c6/char_rnn_classification_tutorial.py) [下载 Jupyter 笔记本:`char_rnn_classification_tutorial.ipynb`](../_downloads/977c14818c75427641ccb85ad21ed6dc/char_rnn_classification_tutorial.ipynb) [由 Sphinx 画廊](https://sphinx-gallery.readthedocs.io)生成的画廊