图神经网络(五)--注意力机制

注意力机制主要是解决当处理大量信息的时候，注意力机制会选择一些关键的信息进行处理，忽略与目标无关的噪声数据，从而提高神经网络的效果。

注意力机制

注意力机制基本包括三个要素， 请求，键，值，如图1-1就是一个软性的注意力机制。

（K，V）是输入的键值对向量数据，包含n项信息，每一项信息的键用$k_{i}$表示，值用$x_{i}$表示，Q表示与任务相关的查询向量。Value是在给定值的情况，通过注意力机制从输入的数据中提取有用的信息，就是输出信息。一般分为三步

1. 计算$k_{i}$与Q的相关性得分。
2. 将计算的相关性得分使用softmax函数进行归一化，称为注意力分布
3. 根据注意力得分对输入数据X进行加权求和计算。

常用的注意力计算方法

点积模型

如果query和key一样长的话，那么可以用点乘也就是，内积的方式转换为注意力分数。

$$S(K_{i}, Q)=Q^{T}K_{i}$$

缩放点积模型

$$S(K_{i}, Q)=\frac{Q^{T}K_{i}}{\sqrt{d}}$$

矩阵相乘模型

$$S(K_{i}, Q)=Q^{T}WK_{i}$$

余弦相似度模型

$$S(K_{i}, Q)=\frac{Q^{T}K_{i}}{|Q| * |K|}$$

加性模型

$$S(K_{i}, Q)=V^{T}tanh(WQ+UK_{i})$$

其中V，W，U都是可以学习的网络参数，d是输入数据的维度。

注意力分数是query和key的相似度，注意力权重是分数的softmax结果。·两种常见的分数计算:·
1.将query和key合并起来进入一个单输出单隐藏层的MLP·
2.直接将query和key做内积

注意力机制变体

硬性注意力

上文说的软性注意力会考虑所有的输入信息，硬性注意力只关注输入信息中的某一个位置的信息。
硬性注意力会选取高频的输入信息，或者注意力分布上进行随机采样选取信息。这个过程中可以理解是在输入数据中选择一个信息，将其注意力权重设置为1，其他信息都是0.硬性注意力效果是不稳定的。

局部注意力

软性注意力需要计算所有的输入信息，效果稳定但是计算量巨大，硬性注意力计算量小，但是效果不稳定。局部注意力则是软性注意力和硬性注意力的折中，其思路是使用硬性注意力定位到一个位置，然后以这个位置为中心点，设置一个窗口区域，在窗口范围内进行软性的注意力计算。

多头注意力

多头注意力使用多个任务目标Q，独立进行k次注意力计算，由于每次计算的q不同，所以每个注意力所关注的信息不同，这样可以从输入信息中抽取k个不同的信息，最后将k个学习进行拼接操作。

相对于基本的自注意力机制，它可以处理更多的信息，并且能够更好地表达不同的语义信息。

自注意力

自注意力模型动态的计算序列内信息权重之和，就能够建模变成序列内部的依赖关系（一般使用LSTM或者CNN）。
假设注意力模型输入序列$X=[x_{1},...,x_{n}]$,输出序列为$H=[h{1},...,h_{n}]$,多输入数据X进行线性变换，得到以下的变量

$$Q=W_{Q}X \\ K=W_{k}X \\ \vec{X}=W_{x} \sim X$$

其中$Q，K，\vec{X}$分别表示查询向量，键向量，值向量。$\sim$表示相似度计算

$$h_{i}=\sum_{j=1}^{N} Softmax(s(q_{j},k_{j})) \vec{X}$$

自注意力计算序列数据的时候只考虑数据本身的信息，忽略了输入信息的位置关系，因此单独使用自注意力模型的时候，需要加入修正，具体做法可以参考Transformer模型。

注意力机制的优势

1. 注意力机制能够有效的使模型忽略输入数据中的噪声数据，提升信噪比
2. 注意力机制可以为输入数据中不同元素分配不同的权重系数，以突出与任务相关的信息元素。
3. 注意力机制模型结果带来更好的解释性。