ノート/chainerのLSTM（の書き方いろいろ）

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ノート/ノート
訪問者　4973　　最終更新　2017-06-13 (火) 11:09:13

chainerのLSTM（の書き方いろいろ）書きかけ　 †

その１）　chainerの公式Tutorial †

chainerのサイトで提供されている公式tutorialの中のRecurrent Nets and their Computational Graphの節で、LSTM (Long Short Time Memory) を使った例を示している。（日本語の注は筆者による）

class RNN(Chain):
    def __init__(self):
        super(RNN, self).__init__()
        with self.init_scope():
            self.embed = L.EmbedID(1000, 100)  # word embedding
            self.mid = L.LSTM(100, 50)  # the first LSTM layer  <-- mid層がLSTM
            self.out = L.Linear(50, 1000)  # the feed-forward output layer

    def reset_state(self):
        self.mid.reset_state()

    def __call__(self, cur_word):
        # Given the current word ID, predict the next word.
        x = self.embed(cur_word)  # <-- 入力cur_wordをembed+feed forward NNしてxへ
        h = self.mid(x)  # <-- xをLSTM層へ、更にその出力をhへ
        y = self.out(h)   # <-- hをfeed forward NNしてyへ
        return y           # <-- yをクラスRNNインスタンスの呼出しの出力へ

rnn = RNN()             # <-- クラスRNNのインスタンスを生成、rnnと呼ぶ
model = L.Classifier(rnn)  # <-- rnnを核にしてClassifierを構成し、modelと呼ぶ
optimizer = optimizers.SGD()   # <-- optimizerとしてSGDのインスタンスを生成
optimizer.setup(model)    # <-- modelに対してoptimizerを設定
# ここから学習
loss = 0
count = 0
seqlen = len(x_list[1:])
rnn.reset_state()
for cur_word, next_word in zip(x_list, x_list[1:]):  <-- 学習ループ
    # x_listと、x_listを後ろへ１つずらしたものから１要素ずつ取り出して
    loss += model(cur_word, next_word)   # <-- modelを呼び出して損失計算 <-- これは疑問アリ
    count += 1
    if count % 30 == 0 or count == seqlen:  # <-- 30回ごとにモデル学習更新
        model.cleargrads()
        loss.backward()
        loss.unchain_backward()
        optimizer.update()

モデルクラスRNNの__call__は引数がシーケンス１つだけでかつ出力は予想ワードなので、 ちょっと食い違っている。２つのワードを与えてlossを返す関数を使うはずのところ。

この定義では、実際のlossの計算が何をするのか分からない。

というところで、「次のexample/ptbを見よ」に従って、ptbの例題を見てみる。

その２）　chainerの公式Exampleの中のptb (Penn Tree Bank) (中断中） †

公式のexampleでは、RNN Language Modelを使ったptbの例が提供されている。

class RNNForLM(chainer.Chain):
    def __init__(self, n_vocab, n_units):
        super(RNNForLM, self).__init__()
        with self.init_scope():
            self.embed = L.EmbedID(n_vocab, n_units)
            self.l1 = L.LSTM(n_units, n_units)
            self.l2 = L.LSTM(n_units, n_units)
            self.l3 = L.Linear(n_units, n_vocab)

        for param in self.params():
            param.data[...] = np.random.uniform(-0.1, 0.1, param.data.shape)

    def reset_state(self):
        self.l1.reset_state()
        self.l2.reset_state()

    def __call__(self, x):
        h0 = self.embed(x)
        h1 = self.l1(F.dropout(h0))
        h2 = self.l2(F.dropout(h1))
        y = self.l3(F.dropout(h2))
        return y

その３）odashiさんのサンプル †

自然言語処理とニューラルネット(2015-12-10付)　より。forwardの損失関数をマージ。コメントを一部変更。

ChainerのLSTMリンクを使わず、自前でhの中にt-1の状態を覚えている。だからモデルはLinearのみ。
forward内は、

h → u → (u,x)からsoftmax_cross_entropyでlossを計算・累積
          → y → 単語の結合確率を計算・累積
          →(新x, 旧h)から新hを計算して更新

の手順で、すべて自前で計算する。

model = FunctionSet(
  w_xh = EmbedID(VOCAB_SIZE, HIDDEN_SIZE), # 入力層(one-hot) -> 隠れ層
  w_hh = Linear(HIDDEN_SIZE, HIDDEN_SIZE), # 隠れ層 -> 隠れ層
  w_hy = Linear(HIDDEN_SIZE, VOCAB_SIZE), # 隠れ層 -> 出力層
)  

def forward(sentence, model): # sentenceはstrの配列。MeCabなどの出力を想定。
  sentence = [convert_to_your_word_id(word) for word in sentence] # 単語をIDに変換。自分で適当に実装する。
  h = Variable(np.zeros((1, HIDDEN_SIZE), dtype=np.float32)) # 隠れ層の初期値
  log_joint_prob = float(0) # 文の結合確率
  accum_loss = Variable(np.zeros((), dtype=np.float32)) # 累積損失の初期値

  for word in sentence:
    x = Variable(np.array([[word]], dtype=np.int32)) # 次回の入力層
    u = model.w_hy(h)
    accum_loss += softmax_cross_entropy(u, x) # 損失の蓄積
    y = softmax(u) # 次の単語の確率分布
    log_joint_prob += math.log(y.data[0][word]) # 結合確率の更新
    h = tanh(model.w_xh(x) + model.w_hh(h)) # 隠れ層の更新
  return log_joint_prob, accum_loss # 結合確率の計算結果、累積損失も一緒に返す

def train(sentence_set, model):
  opt = SGD() # 確率的勾配法を使用
  opt.setup(model) # 学習器の初期化
  for sentence in sentence_set:
    opt.zero_grad(); # 勾配の初期化
    log_joint_prob, accum_loss = forward(sentence, model) # 損失の計算
    accum_loss.backward() # 誤差逆伝播
    opt.clip_grads(10) # 大きすぎる勾配を抑制
    opt.update() # パラメータの更新

その４）kivantiumさんのサンプル †

Chainerで学ぶLSTM(2016-01-31)

class LSTM(chainer.Chain):
    def __init__(self, in_size, n_units, train=True):
        super(LSTM, self).__init__(
            embed=L.EmbedID(in_size, n_units),
            l1=L.LSTM(n_units, n_units),     # <-- LSTMは１層でn_units→n_units
            l2=L.Linear(n_units, in_size),
        )

    def __call__(self, x):     # モデル呼び出し時にはyを返す。
        h0 = self.embed(x)
        h1 = self.l1(h0)
        y = self.l2(h1)
        return y

    def reset_state(self):
        self.l1.reset_state()

lstm = LSTM(p , n_units)  # モデルインスタンスの生成
model = L.Classifier(lstm)  # Classifierでラップしておく
model.compute_accuracy = False    # accuracyは使わない
for param in model.params():
    data = param.data
    data[:] = np.random.uniform(-0.2, 0.2, data.shape)  # modelの初期化

# optimizerの設定
optimizer = optimizers.Adam()
optimizer.setup(model)

# 訓練を行うループ
display = 1000  # 何回ごとに表示するか
total_loss = 0  # 誤差関数の値を入れる変数
for seq in range(100000):
    sequence = train_data[randint(2)] # ランダムにどちらかの文字列を選ぶ
    lstm.reset_state()  # 前の系列の影響がなくなるようにリセット
    for i in six.moves.range(p):
        x = chainer.Variable(xp.asarray([sequence[i]]))   # i文字目を入力に
        t = chainer.Variable(xp.asarray([sequence[i+1]])) # i+1文字目を正解に
        loss = model(x, t)  # lossの計算

        # 出力する時はlossを記憶
        if seq%display==0:
            total_loss += loss.data

        # 最適化の実行
        model.zerograds()
        loss.backward()
        optimizer.update()

   # lossの表示
   if seq%display==0:
       print("sequence:{}, loss:{}".format(seq, total_loss))
       total_loss = 0
   # 10回に1回系列ごとの予測結果と最後の文字の確率分布を表示
   if seq%(display*10)==0:
       for select in six.moves.range(2):
           sequence = train_data[select]
           lstm.reset_state()
           print("prediction: {},".format(sequence[0]), end="")
           for i in six.moves.range(p):
               x = chainer.Variable(xp.asarray([sequence[i]]))
               data = lstm(x).data
               print("{},".format(np.argmax(data)), end="")
           print()
           print("probability: {}".format(data))

その５）LSTMにsin波を覚えてもらう(chainer trainerの速習) †

LSTMにsin波を覚えてもらう(chainer trainerの速習) (2016-09-08)

class MLP(Chain):
    n_input  = 1
    n_output = 1
    n_units  = 5

    def __init__(self):
        super(MLP, self).__init__(
            l1 = L.Linear(self.n_input, self.n_units),
            l2 = L.LSTM(self.n_units, self.n_units),
            l3 = L.Linear(self.n_units, self.n_output),
        )

    def reset_state(self):
        self.l2.reset_state()

    def __call__(self, x):
        h1 = self.l1(x)
        h2 = self.l2(h1)
        return self.l3(h2)

ロス関数の定義

class LossFuncL(Chain):
    def __init__(self, predictor):
        super(LossFuncL, self).__init__(predictor=predictor)

    def __call__(self, x, t):
        x.data = x.data.reshape((-1, 1)).astype(np.float32)
        t.data = t.data.reshape((-1, 1)).astype(np.float32)

        y = self.predictor(x)
        loss = F.mean_squared_error(y, t)
        report({'loss':loss}, self)
        return loss

モデルのインスタンス作成

model = LossFuncL(MLP())
optimizer = optimizers.Adam()
optimizer.setup(model)

trainerクラス周り

class LSTM_test_Iterator(chainer.dataset.Iterator):
    def __init__(self, dataset, batch_size = 10, seq_len = 5, repeat = True):
        self.seq_length = seq_len
        self.dataset = dataset
        self.nsamples =  len(dataset)

        self.batch_size = batch_size
        self.repeat = repeat
        self.epoch = 0
        self.iteration = 0
        self.offsets = np.random.randint(0, len(dataset),size=batch_size)
        self.is_new_epoch = False

    def __next__(self):
        if not self.repeat and self.iteration * self.batch_size >= self.nsamples:
            raise StopIteration
        x, t = self.get_data()
        self.iteration += 1

        epoch = self.iteration // self.batch_size
        self.is_new_epoch = self.epoch < epoch
        if self.is_new_epoch:
            self.epoch = epoch
            self.offsets = np.random.randint(0, self.nsamples,size=self.batch_size)

        return list(zip(x, t))

    @property
    def epoch_detail(self):
        return self.iteration * self.batch_size / len(self.dataset)

    def get_data(self):
        tmp0 = [self.dataset[(offset + self.iteration)%self.nsamples][0]
               for offset in self.offsets]
        tmp1 = [self.dataset[(offset + self.iteration + 1)%self.nsamples][0]
               for offset in self.offsets]
        return tmp0,tmp1

    def serialzie(self, serialzier):
        self.iteration = serializer('iteration', self.iteration)
        self.epoch     = serializer('epoch', self.epoch)

class LSTM_updater(training.StandardUpdater):
    def __init__(self, train_iter, optimizer, device):
        super(LSTM_updater, self).__init__(train_iter, optimizer, device=device)
        self.seq_length = train_iter.seq_length

    def update_core(self):
        loss = 0

        train_iter = self.get_iterator('main')
        optimizer = self.get_optimizer('main')

        for i in range(self.seq_length):
            batch = np.array(train_iter.__next__()).astype(np.float32)
            x, t  = batch[:,0].reshape((-1,1)), batch[:,1].reshape((-1,1))
            loss += optimizer.target(chainer.Variable(x), chainer.Variable(t))

        optimizer.target.zerograds()
        loss.backward()
        loss.unchain_backward()
        optimizer.update()

その６）LSTMによる正弦波の予測 〜 Chainerによる実装 〜 †

LSTMによる正弦波の予測 〜 Chainerによる実装 〜 (2016-07-24)

モデルクラス

class LSTM(chainer.Chain):
    def __init__(self, in_units=1, hidden_units=2, out_units=1, train=True):
        super(LSTM, self).__init__(
            l1=L.Linear(in_units, hidden_units),
            l2=L.LSTM(hidden_units, hidden_units),
            l3=L.Linear(hidden_units, out_units),
        )   
        self.train = True
 
    def __call__(self, x, t): 
        h = self.l1(x)
        h = self.l2(h)
        y = self.l3(h)
        self.loss = F.mean_squared_error(y, t)
        if self.train:
            return self.loss
        else:
            self.prediction = y 
            return self.prediction
 
    def reset_state(self):
        self.l2.reset_state()

ロス計算関数

def compute_loss(model, sequences):
    loss = 0
    rows, cols = sequences.shape
    length_of_sequence = cols
    for i in range(cols - 1):
        x = chainer.Variable(
            xp.asarray(
                [sequences[j, i + 0] for j in range(rows)], 
                dtype=np.float32
            )[:, np.newaxis]
        )
        t = chainer.Variable(
            xp.asarray(
                [sequences[j, i + 1] for j in range(rows)], 
                dtype=np.float32
            )[:, np.newaxis]
        )
        loss += model(x, t)
    return loss 

学習データの生成

random.seed(0)
class DataMaker(object):
    def __init__(self, steps_per_cycle, number_of_cycles):
        self.steps_per_cycle = steps_per_cycle
        self.number_of_cycles = number_of_cycles
 
    def make(self):
        return np.array([math.sin(i * 2 * math.pi/self.steps_per_cycle) for i in range(self.steps_per_cycle)] * self.number_of_cycles)
 
    def make_mini_batch(self, data, mini_batch_size, length_of_sequence):
        sequences = np.ndarray((mini_batch_size, length_of_sequence), dtype=np.float32)
        for i in range(mini_batch_size):
            index = random.randint(0, len(data) - length_of_sequence)
            sequences[i] = data[index:index+length_of_sequence]
        return sequences

学習プロセス

if __name__ == "__main__":
 
    # make training data
    data_maker = DataMaker(steps_per_cycle=STEPS_PER_CYCLE, number_of_cycles=NUMBER_OF_CYCLES)
    train_data = data_maker.make()
 
    # setup model
    model = LSTM(IN_UNITS, HIDDEN_UNITS, OUT_UNITS)
    for param in model.params():
        data = param.data
        data[:] = np.random.uniform(-0.1, 0.1, data.shape)
     
   # setup optimizer
    optimizer = optimizers.Adam()
    optimizer.setup(model)
 
    start = time.time()
    cur_start = start
    for epoch in range(TRAINING_EPOCHS):
        sequences = data_maker.make_mini_batch(train_data, mini_batch_size=MINI_BATCH_SIZE, length_of_sequence=LENGTH_OF_SEQUENCE)
        model.reset_state()
        model.zerograds()
        loss = compute_loss(model, sequences)
        loss.backward()
        optimizer.update()

    # save model
    cPickle.dump(model, open("./model.pkl", "wb"))

その６）ニコニコ動画のコメント次文字予測をChainer LSTMで実装した †

ニコニコ動画のコメント次文字予測をChainer LSTMで実装した (2016-10-12)
ChainerのNStepLSTMでニコニコ動画のコメント予測 (2016-10-24)

ニコニコ動画のデータ入手、表記ゆれの正規化処理、などの前処理部分は省略。元記事を参照のこと。

モデル定義など

class RNNForLM(chainer.Chain):

    def __init__(self, n_vocab, n_units, train=True):
        super(RNNForLM, self).__init__(
            embed=L.EmbedID(n_vocab, n_units),
            l1=L.LSTM(n_units, n_units),
            l2=L.LSTM(n_units, n_units),
            l3=L.Linear(n_units, n_vocab),
        )
        for param in self.params():
            param.data[...] = np.random.uniform(-0.1, 0.1, param.data.shape)
        self.train = train

    def reset_state(self):
        self.l1.reset_state()
        self.l2.reset_state()

    def __call__(self, x):
        h0 = self.embed(x)
        h1 = self.l1(F.dropout(h0, train=self.train))
        h2 = self.l2(F.dropout(h1, train=self.train))
        y = self.l3(F.dropout(h2, train=self.train))
        return y

trainerまわり

class ParallelSequentialIterator(chainer.dataset.Iterator):

    def __init__(self, dataset, batch_size, repeat=True):
        self.dataset = dataset
        self.batch_size = batch_size
        self.epoch = 0
        self.is_new_epoch = False
        self.repeat = repeat
        length = len(dataset)
        self.offsets = [i * length // batch_size for i in range(batch_size)]
        self.iteration = 0

    def __next__(self):
        length = len(self.dataset)
        if not self.repeat and self.iteration * self.batch_size >= length:
            raise StopIteration
        cur_words = self.get_words()
        self.iteration += 1
        next_words = self.get_words()

        epoch = self.iteration * self.batch_size // length
        self.is_new_epoch = self.epoch < epoch
        if self.is_new_epoch:
            self.epoch = epoch

        return list(zip(cur_words, next_words))

    @property
    def epoch_detail(self):
        return self.iteration * self.batch_size / len(self.dataset)

    def get_words(self):
        return [self.dataset[(offset + self.iteration) % len(self.dataset)]
                for offset in self.offsets]

    def serialize(self, serializer):
        self.iteration = serializer('iteration', self.iteration)
        self.epoch = serializer('epoch', self.epoch)

class BPTTUpdater(training.StandardUpdater):

    def __init__(self, train_iter, optimizer, bprop_len, device):
        super(BPTTUpdater, self).__init__(
            train_iter, optimizer, device=device)
        self.bprop_len = bprop_len

    def update_core(self):
        loss = 0
        train_iter = self.get_iterator('main')
        optimizer = self.get_optimizer('main')

        # Progress the dataset iterator for bprop_len words at each iteration.
        for i in range(self.bprop_len):
            batch = train_iter.__next__()
            x = np.asarray([example[0] for example in batch], dtype=np.int32)
            t = np.asarray([example[1] for example in batch], dtype=np.int32)
            if self.device >= 0:
                x = chainer.cuda.to_gpu(x, device=self.device)
                t = chainer.cuda.to_gpu(t, device=self.device)
            loss += optimizer.target(chainer.Variable(x), chainer.Variable(t))

        optimizer.target.cleargrads()  # Clear the parameter gradients
        loss.backward()  # Backprop
        loss.unchain_backward()  # Truncate the graph
        optimizer.update()  # Update the parameters

# Routine to rewrite the result dictionary of LogReport to add perplexity
# values
def compute_perplexity(result):
    result['perplexity'] = np.exp(result['main/loss'])
    if 'validation/main/loss' in result:
        result['val_perplexity'] = np.exp(result['validation/main/loss'])

メイン部分

def main():
    学習データ生成部分は省略

    train_iter = ParallelSequentialIterator(train, args.batchsize)

    # Prepare an RNNLM model
    rnn = RNNForLM(n_vocab, args.unit)
    model = L.Classifier(rnn)
    model.compute_accuracy = True  # we only want the perplexity

    # Set up an optimizer
    optimizer = chainer.optimizers.SGD(lr=1.0)
    optimizer.setup(model)
    optimizer.add_hook(chainer.optimizer.GradientClipping(args.gradclip))

    # Set up a trainer
    updater = BPTTUpdater(train_iter, optimizer, args.bproplen, args.gpu)
    trainer = training.Trainer(updater, (args.epoch, 'epoch'), out=args.out)

    interval = 10 if args.test else 500
    trainer.extend(extensions.LogReport(postprocess=compute_perplexity,
                                        trigger=(interval, 'iteration')))
    trainer.extend(extensions.PrintReport(
        ['epoch', 'iteration', 'perplexity', 'main/accuracy']), 
              trigger=(interval, 'iteration'))
    trainer.extend(extensions.ProgressBar(
        update_interval=1 if args.test else 10))
    trainer.extend(extensions.snapshot())
    trainer.extend(extensions.snapshot_object(
        model, 'model_iter_{.updater.iteration}'))
    if args.resume:
        chainer.serializers.load_npz(args.resume, model)

    @training.make_extension(trigger=(500, 'iteration'))
    def save_model(trainer):
        chainer.serializers.save_npz('{}/{}'.format(
                                     args.out, 'lstm_model.npz'), model)

    trainer.extend(save_model)

    trainer.run()

if __name__ == '__main__':
    main()

その７） ChainerでLSTM言語モデルとミニバッチ学習の実装 †

ChainerでLSTM言語モデルとミニバッチ学習の実装 (2016-04-10)

自前で（L.Linearを使って）LSTMクラスを作っている。