Рекуррентная нейронная сеть

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Рекуррентные нейронные сети (англ. Recurrent neural network; RNN) — вид нейронных сетей, где связи между элементами образуют направленную последовательность. Благодаря этому появляется возможность обрабатывать серии событий во времени или последовательные пространственные цепочки. В отличие от многослойных перцептронов, рекуррентные сети могут использовать свою внутреннюю память для обработки последовательностей произвольной длины. Поэтому сети RNN применимы в таких задачах, где нечто целостное разбито на сегменты, например: распознавание рукописного текста[1] или распознавание речи[2][3]. Было предложено много различных архитектурных решений для рекуррентных сетей от простых до сложных. В последнее время наибольшее распространение получили сеть с долговременной и кратковременной памятью (LSTM) и управляемый рекуррентный блок (GRU).

История[править | править код]

Ещё в 1980-е начались разработки рекуррентных сетей. Джон Хопфилд в 1982 предложил Сеть Хопфилда. В 1993 нейронная система запоминания и сжатия исторических данных смогла решить задачу «очень глубокого обучения», в которой в рекуррентной сети разворачивалось более 1000 последовательных слоёв.[4]

Долгая краткосрочная память (LSTM)[править | править код]

Сеть с долговременной и кратковременной памятью (англ.  Long short term memory, LSTM); LSTM).[5] нашла применение в различных приложениях.

Начиная с 2007 года LSTM приобрела популярность и смогла вывести на новый уровень распознавание речи, показав существенное улучшение по сравнению с традиционными моделями.[6] В 2009 году появился подход классификации по рейтингу (Connectionist Temporal Classification, (CTC)). Этот метод позволил рекуррентным сетям подключить анализ контекста при распознавании рукописного текста.[7] В 2014 году китайская энциклопедия и поисковая система Baidu, используя рекуррентные сети с обучением по CTC смогли поднять на новый уровень показатели Switchboard Hub5’00, опередив традиционные методы.[8]

LSTM привела также к улучшению распознавания речи с большими словарями[2][3] и улучшения синтеза речи по тексту[9], и нашла также применение в операционной системе Google Android.[10] В 2015 году распознавание речи у Google значительно повысило показатели вплоть до 49 %, причиной того стало использование специальной системы обучения LSTM на базе CTC в системе Google voice search.[11]

LSTM вывело на новый уровень качество машинного перевода,[12], построения языковых моделей и[13] обработки многоязычного текста.[14] Сочетание LSTM со свёрточными нейронными сетями (CNN) позволило усовершенствовать автоматическое описание изображений.[15]

Архитектура[править | править код]

Существует много разновидностей, решений и конструктивных элементов рекуррентных нейронных сетей.

Трудность рекуррентной сети заключается в том, что если учитывать каждый шаг времени, то становится необходимым для каждого шага времени создавать свой слой нейронов, что вызывает серьёзные вычислительные сложности. Кроме того многослойные реализации оказываются вычислительно неустойчивыми, так как в них как правило исчезают или зашкаливают веса. Если же ограничиться расчёт фиксированным временным окном, то полученные модели не будут отражать долгосрочных трендов. Различные подходы пытаются усовершенствовать модель исторической памяти и механизм запоминания и забывания.

Полностью рекуррентная сеть[править | править код]

Это базовая архитектура разработана в 1980-х. Сеть строится из узлов, каждый из которых соединён со всеми другими узлами. У каждого нейрона порог активации меняется со временем и является вещественным числом. Каждое соединение имеет переменный вещественный вес. Узлы разделяются на входные, выходные и скрытые.

Для обучения с учителем с дискретным временем, каждый (дискретный) шаг времени на входные узлы подаются данные, а прочие узлы завершают свою активацию, и выходные сигналы готовятся для передачи нейроном следующего уровня. Если например сеть отвечает за распознавание речи, в результате на выходные узлы поступают уже метки (распознанные слова).

В обучении с подкреплением (reinforcement learning) нет учителя, обеспечивающего целевые сигналы для сети, вместо этого иногда используется функция годности[en] или функция оценки (reward function), по которой проводится оценка качества работы сети, при этом значения на выходе оказывает влияние на поведение сети на входе. В частности, если сеть реализует игру, на выходе измеряется количество пунктов выигрыша или оценки позиции.

Каждая цепочка вычисляет ошибку как суммарную девиацию по выходным сигналам сети. Если имеется набор образцов обучения, ошибка вычисляется с учётом ошибок каждого отдельного образца.

Рекурсивная сеть[править | править код]

Рекурсивные нейронные сети представляют собой более общий случай рекуррентных сетей, когда сигнал в сети проходит через структуру в виде дерева (обычно бинарные деревья).[16]Те же самые матрицы весов используются рекурсивно по всему графу в соответствии с его топологией.[17][18] Рекурсивные нейронные сети находят применение в задачах обработки естественного языка.[19] Существуют также тензорные рекурсивные нейронные сети (RNTN, Recursive Neural Tensor Network), которые используют тензорные функции для всех узлов в дереве.[20]

Нейронная сеть Хопфилда[править | править код]

Сеть Хопфилда — это такой тип рекуррентной сети, когда все соединения симметричны. Изобретена Джоном Хопфилдом в 1982 году и гарантируется, что динамика такой сети сходится к одному из положений равновесия. Если при создании соединений используют обучение Хебба[en], то сеть Хопфилда может работать как надежная ассоциативная память, устойчивая к изменению подключений.

Двунаправленная ассоциативная память (BAM)[править | править код]

Вариацией сети Хопфилда является двунаправленная ассоциативная память (BAM). BAM имеет два слоя, каждый из которых может выступать в качестве входного, находить (вспоминать) ассоциацию и генерировать результат для другого слоя.[21][22] Rául Rojas. [[2] в «Книгах Google» Neural networks: a systematic introduction]. — Springer, 1996. — P. 336. — ISBN 978-3-540-60505-8.

Сети Элмана и Джордана[править | править код]

Сеть Элмана

Нейронная сеть Элмана представляет из себя трёхслойную нейронную сеть, слои которой называются на иллюстрации x, y, и z. Дополнительно к сети добавлен набор «контекстных блоков» (u на иллюстрации). Средний (скрытый) слой соединён с контекстными блоками с фиксированным весом, равным единице.[23] С каждым шагом времени на вход поступает информация, которая проходит прямой ход к выходному слою в соответствии с правилами обучения. Фиксированные обратные связи сохраняют предыдущие значения скрытого слоя в контекстных блоках (до того как скрыты слой поменяет значение в процессе обучения). Таким способом сеть сохраняет своё состояние, что может использоваться в предсказании последовательностей, выходя за пределы мощности многослойного перцептрона.

Нейронная сеть Джордана подобна сети Элмана. Однако контекстные блоки связаны не со срытым слоем, а с выходным слоем. Контекстные блоки таким образом сохраняют своё состояние. Они обладают рекуррентной связью с собой.[23]

Сети Элмана и Джордана называют также «простыми рекуррентными сетями» (SRN).

Сеть Элмана[24]
Сеть Джордана[25]

Обозначения переменных и функций:

  • : вектор входного слоя
  • : вектор скрытого слоя
  • : вектор выходного слоя
  • , и : Матрица и вектор параметров
  • и : Функция активации

Эхо-сети[править | править код]

Эхо-сеть (англ. echo state network; ESN) характеризуется одним скрытым слоем (который называется резервуаром) со случайными редкими связями между нейронами. При этом связи внутри резервуара фиксированы, но связи с выходным слоем подлежат обучению. Состояние резервуара (state) вычисляется через предыдущие состояния резервуара, а также предыдущие состояния входного и выходного сигналов. Так как эко-сети обладают только одним скрытым слоем, они обладают достаточно низкой вычислительной сложностью, однако качество моделирования сильно зависит от начальных установок, которые грубо говоря случайны. Эхо-сети хорошо работают, воспроизводя временные ряды.[26] Вариацией эхо-сетей являются импульсные (спайковые) нейронные сети, известные также как жидкие нейронные сети ("жидкие" сети названы с использование метафоры расходящихся кругов по воде от падения камешка, что характеризует кратковременную память от входного события).[27]

Нейронный компрессор истории[править | править код]

Нейронный компрессор исторических данных - это блок, позволяющий в сжатом виде хранить существенные исторические особенности процесса, который является своего рода стеком рекуррентной нейронной сети, формируемым в процессе самообучения.[28] На уровне входного сигнала, нейронный компрессор истории пытается предсказать следующий вход по историческим данным. На следующий уровень рекуррентной сети поступают только те входные сигналы, которые не смогли быть предсказаны, и которые при этом способствуют изменению состояния компрессора. Каждый следующий слой сети точно также изучает сжатую историческую информацию с предыдущих слоёв. Таким образом входная последовательность может быть точно восстановлена по представлению последующих слоёв.

Система пытается свести к минимуму размер описания, или же использует негативные логарифмы для оценки вероятностей данных.[29] Используя обучаемую предсказуемость во входящей последовательности данных, сеть RNN следующего уровня, применяя уже обучение с учителем, может уже классифицировать даже глубокие последовательности с большими временными интервалами между ключевыми событиями.

Таким образом сеть RNN можно разделить на два уровня слоёв: «сознательный» (более высокий уровень) и «подсознательный» автоматизатор (нижний уровень). После того, как верхний уровень научился прогнозировать и сжимать входы (которые непредсказуемы) с помощью автоматизатора, тогда автоматизатор может быть вынужден на следующей стадии обучения предсказывать сам или подражать через дополнительные или скрытые блоки более медленно меняющегося высшего уровня. Это упрощает работу автоматизатора, позволяя учесть долгосрочные, но редко меняющиеся воспоминания. В свою очередь, это помогает автоматизатору сделать многие из его некогда непредсказуемых входов предсказуемыми, так что высший уровень может сосредоточиться на оставшихся непредсказуемых событиях.[28]

Долгая краткосрочная память (LSTM)[править | править код]

Сеть с долговременной и кратковременной памятью (англ.  Long short term memory, LSTM) представляет собой систему глубинного обучения, при реализации которой удалось обойти проблему исчезновения или зашкаливания градиентов в процессе обучения методом обратного распространения ошибки. Сеть LSTM обычно модерируется с помощью рекуррентных вентилей, которые называются вентили (gates) «забывания».[30] Ошибки распространяются назад по времени через потенциально неограниченное количество виртуальных слоёв. Таким образом происходит обучение в LSTM [31], при этом сохраняя память о тысячах и даже миллионах временных интервалов в прошлом. Топологии сетей типа LSTM могут развиваться в соответствии со спецификой процесса.[32] В сети LSTM даже большие задержки между значимыми событиями могут учитываться, и тем самым высокочастотные и низкочастотные компоненты могут смешиваться.

Многие рекуррентные сети используют стеки данных, присущие LSTM [33] Сети могут обучаться с помощью "Классификации по времени и соединениям (CTC)" (англ. Connectionist Temporal Classification) [34] чтобы найти такую матрицу весов, в которой вероятность последовательности меток в наборе образцов при соответствующем входном потоке сводится к максимуму. CTC позволяет добиться как упорядочивания так и распознавания.

LSTM может также обучаться для распознавания контекстно-чувствительных языков, в отличии от предыдущих моделей, базировавшихся на скрытой марковской модели (HMM) и подобных идеях.[35]

Рекуррентные сети второго порядка[править | править код]

Рекуррентные сети второго порядка используют веса высших порядков вместо обычных весов , при этом входные параметры и параметры состояния могут получать в виде произведения. В этом случае сеть трансформируется (mapping) в конечный автомат как в процессе обучения, так и при стабилизации и представлении.[36][37] Долгая краткосрочная память в данном случае не имеет такой трансформации и проверки стабильности.

Управляемый рекуррентный блок[править | править код]

Управляемый рекуррентный блок (англ. Gated recurrent units; GRU) - механизм упреаления рекуррентной сети, предложенный в 2014 году. Производительность GRU в моделях речевого сигнала или полифонической музыки оказалась сопоставимой с долгой краткосрочной памятью (LSTM).[38] У данной модели меньше параметров, чем у LSTM, и в ней отсутствует выходное управление.[39]

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. (2009) «A Novel Connectionist System for Improved Unconstrained Handwriting Recognition» (PDF). IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 31 (5).
  2. 1 2 Sak, Hasim Long Short-Term Memory recurrent neural network architectures for large scale acoustic modeling (2014).
  3. 1 2 Li, Xiangang & Wu, Xihong (2014-10-15), "Constructing Long Short-Term Memory based Deep Recurrent Neural Networks for Large Vocabulary Speech Recognition", arΧiv:1410.4281 [cs.CL] 
  4. Schmidhuber Jürgen. Habilitation thesis: System modeling and optimization. — 1993. Page 150 ff demonstrates credit assignment across the equivalent of 1,200 layers in an unfolded RNN.
  5. Hochreiter, Sepp (1997-11-01). «Long Short-Term Memory». Neural Computation 9 (8): 1735–1780. DOI:10.1162/neco.1997.9.8.1735.
  6. Fernández, Santiago (2007). «An Application of Recurrent Neural Networks to Discriminative Keyword Spotting». Proceedings of the 17th International Conference on Artificial Neural Networks (Springer-Verlag): 220–229.
  7. (2009) «Offline Handwriting Recognition with Multidimensional Recurrent Neural Networks». Neural Information Processing Systems (NIPS) Foundation: 545–552.
  8. Hannun, Awni; Case, Carl; Casper, Jared; Catanzaro, Bryan; Diamos, Greg; Elsen, Erich; Prenger, Ryan; Satheesh, Sanjeev; et al. (2014-12-17), "Deep Speech: Scaling up end-to-end speech recognition", arΧiv:1412.5567 [cs.CL] 
  9. Bo Fan, Lijuan Wang, Frank K. Soong, and Lei Xie (2015). Photo-Real Talking Head with Deep Bidirectional LSTM. In Proceedings of ICASSP 2015.
  10. Zen, Heiga Unidirectional Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network with Recurrent Output Layer for Low-Latency Speech Synthesis. Google.com 4470–4474. ICASSP (2015).
  11. Sak, Haşim Google voice search: faster and more accurate (September 2015).
  12. Sutskever, L. (2014). «Sequence to Sequence Learning with Neural Networks». Electronic Proceedings of the Neural Information Processing Systems Conference 27: 5346. arXiv:1409.3215. Bibcode2014arXiv1409.3215S.
  13. Jozefowicz, Rafal; Vinyals, Oriol; Schuster, Mike; Shazeer, Noam & Wu, Yonghui (2016-02-07), "Exploring the Limits of Language Modeling", arΧiv:1602.02410 [cs.CL] 
  14. Gillick, Dan; Brunk, Cliff; Vinyals, Oriol & Subramanya, Amarnag (2015-11-30), "Multilingual Language Processing From Bytes", arΧiv:1512.00103 [cs.CL] 
  15. Vinyals, Oriol; Toshev, Alexander; Bengio, Samy & Erhan, Dumitru (2014-11-17), "Show and Tell: A Neural Image Caption Generator", arΧiv:1411.4555 [cs.CV] 
  16. (1996) «Learning task-dependent distributed representations by backpropagation through structure». IEEE International Conference on Neural Networks, 1996 1: 347. DOI:10.1109/ICNN.1996.548916.
  17. Seppo Linnainmaa (1970). The representation of the cumulative rounding error of an algorithm as a Taylor expansion of the local rounding errors. Master’s Thesis (in Finnish), Univ. Helsinki, 6-7.
  18. [[1] в «Книгах Google» Evaluating Derivatives: Principles and Techniques of Algorithmic Differentiation]. — Second. — SIAM, 2008. — ISBN 978-0-89871-776-1.
  19. Socher, Richard; Lin, Cliff; Ng, Andrew Y. & Manning, Christopher D., "Parsing Natural Scenes and Natural Language with Recursive Neural Networks", 28th International Conference on Machine Learning (ICML 2011) 
  20. «Recursive Deep Models for Semantic Compositionality Over a Sentiment Treebank». Emnlp 2013.
  21. Journal |date=1988 |title=Bidirectional associative memories |journal=IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics |volume=18 |issue=1 |pages=49–60 |doi=10.1109/21.87054 |last1=Kosko |first1=B.}}
  22. (2 January 2015) «Exponential stability for markovian jumping stochastic BAM neural networks with mode-dependent probabilistic time-varying delays and impulse control». Complexity 20 (3): 39–65. DOI:10.1002/cplx.21503.
  23. 1 2 Cruse, Holk; Neural Networks as Cybernetic Systems, 2nd and revised edition
  24. Elman, Jeffrey L. (1990). «Finding Structure in Time». Cognitive Science 14 (2): 179–211. DOI:10.1016/0364-0213(90)90002-E.
  25. Jordan, Michael I. (1997-01-01). «Serial Order: A Parallel Distributed Processing Approach». Advances in Psychology 121: 471–495. DOI:10.1016/s0166-4115(97)80111-2.
  26. Jaeger, Herbert (2004-04-02). «Harnessing Nonlinearity: Predicting Chaotic Systems and Saving Energy in Wireless Communication». Science 304 (5667): 78–80. DOI:10.1126/science.1091277. PMID 15064413. Bibcode2004Sci...304...78J.
  27. W. Maass, T. Natschläger, and H. Markram. A fresh look at real-time computation in generic recurrent neural circuits. Technical report, Institute for Theoretical Computer Science, TU Graz, 2002.
  28. 1 2 «Learning complex, extended sequences using the principle of history compression». Neural Computation 4 (2): 234–242.
  29. (2015) «Deep Learning». Scholarpedia 10 (11).
  30. Gers, Felix Learning Precise Timing with LSTM Recurrent Networks (PDF Download Available). ResearchGate.
  31. Schmidhuber, Jürgen (January 2015). «Deep Learning in Neural Networks: An Overview». Neural Networks 61: 85–117. arXiv:1404.7828. DOI:10.1016/j.neunet.2014.09.003. PMID 25462637.
  32. Bayer, Justin (2009-09-14). «Evolving Memory Cell Structures for Sequence Learning». Artificial Neural Networks – ICANN 2009 (Springer, Berlin, Heidelberg) 5769: 755–764. DOI:10.1007/978-3-642-04277-5_76.
  33. Fernández, Santiago (2007). «Sequence labelling in structured domains with hierarchical recurrent neural networks». Proc. 20th Int. Joint Conf. on Artificial In℡ligence, Ijcai 2007: 774–779.
  34. Graves, Alex (2006). «Connectionist temporal classification: Labelling unsegmented sequence data with recurrent neural networks». In Proceedings of the International Conference on Machine Learning, ICML 2006: 369–376.
  35. Gers, F. A. (November 2001). «LSTM recurrent networks learn simple context-free and context-sensitive languages». IEEE Transactions on Neural Networks 12 (6): 1333–1340. DOI:10.1109/72.963769. ISSN 1045-9227.
  36. C.L. Giles, C.B. Miller, D. Chen, H.H. Chen, G.Z. Sun, Y.C. Lee, «Learning and Extracting Finite State Automata with Second-Order Recurrent Neural Networks», Neural Computation, 4(3), p. 393, 1992.
  37. C.W. Omlin, C.L. Giles, «Constructing Deterministic Finite-State Automata in Recurrent Neural Networks» Journal of the ACM, 45(6), 937—972, 1996.
  38. Chung, Junyoung; Gulcehre, Caglar; Cho, KyungHyun & Bengio, Yoshua (2014), "Empirical Evaluation of Gated Recurrent Neural Networks on Sequence Modeling", arΧiv:1412.3555 [cs.NE] 
  39. Recurrent Neural Network Tutorial, Part 4 – Implementing a GRU/LSTM RNN with Python and Theano – WildML. Проверено 18 мая 2016.

Литература[править | править код]

  • Jordan, M. I. Serial order: A parallel distributed processing approach. // Institute for Cognitive Science Report 8604. — University of California, San Diego, 1986.