使用GRU单元的RNN模型生成唐诗

Michael阿明

发布于 2021-02-19 15:18:35

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参考基于深度学习的自然语言处理

本文使用 GRU 单元建立 RNN 网络，使用唐诗三百首进行训练，使用模型生成唐诗。

GRU RNN 网络能够克服简单RNN网络的一些问题，如梯度消失，梯度很难从深层传递到浅层，导致浅层的参数更新非常缓慢，学习速度很慢，还导致深层浅层学习不均衡。

GRU，LSTM 使用更新门，遗忘门，来解决长距离的依赖关系，GRU相比LSTM参数更少。

RNN 网络的还有缺点就是无法采用并行计算，必须在上一个时间步的基础上计算下一个时间步。

1. 读取数据

# 读取文本
file = "tangshi300.txt"
with open(file,'r',encoding='utf-8') as f:
    text = f.read()
print(len(text))
print(text[:180])

输出：

29405  # 文本长度

唐诗300首 1-50

010杜甫：佳人

绝代有佳人，幽居在空谷。
自云良家子，零落依草木。
关中昔丧乱，兄弟遭杀戮。
官高何足论，不得收骨肉。
世情恶衰歇，万事随转烛。
夫婿轻薄儿，新人美如玉。
合昏尚知时，鸳鸯不独宿。
但见新人笑，那闻旧人哭！
在山泉水清，出山泉水浊。
侍婢卖珠回，牵萝补茅屋。
摘花不插发，采柏动盈掬。
天寒翠袖薄，日暮倚修竹。

2. 字符索引

# 创建字符序号索引
words = sorted(list(set(text)))
print("字和符号数量：{}".format(len(words)))

word_idx = {w : i for (i, w) in enumerate(words)}
idx_word = {i : w for (i, w) in enumerate(words)}

输出：

字和符号数量：2590

3. 创建文本序列

# 根据文本，创建序列
sample_maxlen = 40 # 样本句子长度
sentences = []
next_word = []
for i in range(len(text)-sample_maxlen):
    sentences.append(text[i : i+sample_maxlen]) # 滑窗取出样本句子
    next_word.append(text[i+sample_maxlen]) # 句子末尾的下一个字
print("样本数量：{}".format(len(sentences)))

样本数量：29365

4. 创建文本编码序列

# 将文本序列转化成数字序列（矩阵）, 实际上就是一个one_hot 编码
import numpy as np
X = np.zeros((len(sentences), sample_maxlen, len(words)), dtype=np.bool)
#            样本数             1个样本字个数   一个字的OH编码长度
y = np.zeros((len(sentences), len(words)), dtype=np.bool)
#            样本数          一个字的OH编码长度
for i in range(len(sentences)):
    for t, w in enumerate(sentences[i]):
        X[i, t, word_idx[w]] = 1 # 把 i 样本 t 字符 对应的 OH 编码位置 写为 1
    y[i, word_idx[next_word[i]]] = 1

5. 使用GRU单元建立RNN模型

建模

# 建模
from keras.models import Sequential
from keras.layers import GRU, Dense
from keras.optimizers import Adam
model = Sequential()
model.add(GRU(units=128,input_shape=(sample_maxlen, len(words)))) # GRU 层
model.add(Dense(units=len(words), activation='softmax')) # FC 层 多分类 softmax

训练

optimizer = Adam(learning_rate=0.001) # adam 优化器
model.compile(optimizer=optimizer,
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy']) # 配置模型
history = model.fit(X, y, batch_size=128, epochs=500) # 训练
model.save("tangshi_generator_model.h5") # 保存模型

绘制训练曲线

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
pd.DataFrame(history.history).plot(figsize=(8, 5)) # 绘制训练曲线
plt.grid(True)
plt.gca().set_ylim(0, 1) # set the vertical range to [0-1]
plt.show()

模型在 100 个 epochs 时已基本上完全拟合了训练数据

6. 文本生成

采样函数

def sampling(preds, temperature=1.0):
    preds = np.asarray(preds).astype('float64')
    preds = np.log(preds)/temperature # 我的理解是概率平滑
    exp_preds = np.exp(preds)
    preds = exp_preds/np.sum(exp_preds)
    probs = np.random.multinomial(1, preds, 1)
#   多项式分布，做n次试验，按照preds的概率分布（和=1），取出size组结果，如下
#     >>> np.random.multinomial(20, [1/6.]*6, size=1)
#             array([[4, 1, 7, 5, 2, 1]]) # random
    return np.argmax(probs) # 返回概率最大的idx

随机选取训练文本里的一段开始生成后序文本

from keras.models import load_model
import random
model = load_model("tangshi_generator_model.h5")

def generate_tangshi(model, generate_len=200):
    start_idx = random.randint(0, len(text)-sample_maxlen-1) # 随机开始位置
    generated = ""
    sentence = text[start_idx : start_idx + sample_maxlen] # 开始的句子
    generated += sentence
    print("随机选取的开始句子为：{}".format(generated))
    for i in range(generate_len): # 后续要生成的句子长度
        x_pred = np.zeros((1, sample_maxlen, len(words)))
        for t, w in enumerate(sentence):
            x_pred[0, t, word_idx[w]] = 1 # 当前句子的 OH 编码
        preds = model.predict(x_pred)[0] # predict 返回 （1,2590）一个样本 2590个类预测值
        next_idx = sampling(preds, 1) # 采样出来下一个最有可能的词的idx
        next_w = idx_word[next_idx] # 取出这个词
        generated += next_w # 加到句子中
        sentence = sentence[1:] + next_w # 句子窗口后移一个位置，作为下次预测的输入
    return generated

generate_tangshi(model, 100)

输出：

模型完全记住了后续的诗句。

自己随意编写训练集里没有的诗句作为开始，如下（不可有训练集中未出现的字）

with open('test.txt','r',encoding='utf-8') as f:
    test_text = f.read()
    
def generate_tangshi_test(model, generate_len=60):
    generated = ""
    sentence = test_text[0 : sample_maxlen]
    generated += sentence
    print("测试文本开始句子为：{}".format(generated))
    for i in range(generate_len):
        x_pred = np.zeros((1, sample_maxlen, len(words)))
        for t, w in enumerate(sentence):
            x_pred[0, t, word_idx[w]] = 1
        preds = model.predict(x_pred)[0]
        next_idx = sampling(preds, 1)
        next_w = idx_word[next_idx]
        generated += next_w
        sentence = sentence[1:] + next_w
    return generated

generate_tangshi_test(model, 100)

输出：