谈一谈暴露偏差

news2024/11/26 13:23:42

文章由参考文章重新组合而来。

暴露偏差又叫Exposure Bias，是由Teacher Forcing 导致的。

Teacher Forcing

Teacher Forcing 是一种用于序列生成任务的训练技巧，与Autoregressive模式相对应，这里阐述下两者的区别：

Autoregressive 模式下，在 timesteps t decoder模块的输入是 timesteps t−1 的输出 $y_t−1$ 。这时候我们称 $y_t$ −1 为当前预测步的 context;
Teacher-Forcing 模式下，在 timestep t decoder模块的输入是 Ground-truth 语句中位置的 $y_t^*−1$ 单词。这时候我们称 $y_t^*−1$ 为当前预测步的 context；

更具体的，我们可以看下图的例子：

在这里插入图片描述

Teacher-Forcing 技术之所以作为一种有用的训练技巧，主要是因为：

Teacher-Forcing 能够在训练的时候矫正模型的预测，避免在序列生成的过程中误差进一步放大。
Teacher-Forcing 能够极大的加快模型的收敛速度，令模型训练过程更加快&平稳。
Teacher-Forcing 技术是保证 Transformer 模型能够在训练过程中完全并行计算所有token的关键技术。

Teacher Forcing 的问题

由于训练和预测的时候decode行为的不一致，导致预测单词（predict words）在训练和预测的时候是从不同的分布中推断出来的。而这种不一致导致训练模型和预测模型直接的Gap，就叫做 Exposure Bias。

除了常见的 Exposure Bias 问题之外，今年的ACL2019 最佳paper中还指出好几个存在的问题：

Teacher-Forcing 技术在解码的时候生成的字符都受到了 Ground-Truth 的约束，希望模型生成的结果都必须和参考句一一对应。这种约束在训练过程中减少模型发散，加快收敛速度。但是一方面也扼杀了翻译多样性的可能。
Teacher-Forcing 技术在这种约束下，还会导致一种叫做 Overcorrect(矫枉过正) 的问题。例如：

Beam Search

事实上，我们真正做题的时候并不总是这样子，假如我们卡在某步无法确定时，我们就遍历几种选择，然后继续推下去，看后面的结果反过来辅助我们确定前面无法确定的那步。对应到Seq2Seq来说，这其实就相当于基于Beam Search的解码过程。

对于Beam Search，我们应该能发现，beam size并不是越大越好，有些情况甚至是beam size等于1时最好，这看起来有点不合理，因为beam size越大，理论上找到的序列就越接近最优序列，所以应该越有可能正确才对。事实上这也算是Exposure Bias的现象之一。

简单例子

我们来举一个简单例子。设序列长度只有2，候选序列是(a,b)和(c,d)，而目标序列是(a,b)，训练完成后，模型的概率分布情况为

在这里插入图片描述

如果beam size为1，那么因为p(a)>p©，所以第一步只能输出a，接着因为p(b|a)>p(d|a)，所以第二步只能输出b，成功输出了正确序列(a,b)。但如果beam size为2，那么第一步输出(a,0.6),(c,0.4)，而第二步遍历所有组合，我们得到

在这里插入图片描述

所以输出了错误的序列(c,d)。

那是因为模型没训练好吗？并不是，前面说过Softmax加交叉熵的目的就是让目标的得分最大，对于第一步我们有p(a)>p©，所以第一步的训练目标已经达到了，而第二步在a已经预先知道的前提下我们有p(b|a)>p(d|a)，这说明第二步的训练目标也达到了。因此，模型已经算是训练好了，只不过可能因为模型表达能力限制等原因，得分并没有特别高，但“让目标的得分最大”这个目标已经完成了。

对策

从上述例子中读者或许可以看出问题所在了：主要是p(d|c)太高了，而p(d|c)是没有经过训练的，没有任何显式的机制去抑制p(d|c)变大，因此就出现了“最优序列并不是目标序列”的现象。

看到这里，读者可能就能想到一个朴素的对策了：添加额外的优化目标，降低那些Beam Search出来的非目标序列不就行了？事实上，这的确是一个有效的解决方法，相关结果发表在2016年的论文《Sequence-to-Sequence Learning as Beam-Search Optimization》。但这样一来几乎要求每步训练前的每个样本都要进行一次Beam Search，计算成本太大。还有一些更新的结果，比如ACL 2019的最佳长论文《Bridging the Gap between Training and Inference for Neural Machine Translation》就是聚焦于解决Exposure Bias问题。此外，通过强化学习直接优化BLEU等方法，也能一定程度上缓解Exposure Bias。

然而，据笔者所了解，这些致力于解决Exposure Bias的方法，大部分都是大刀阔斧地改动了训练过程，甚至会牺牲原来模型的训练并行性（需要递归地采样负样本，如果模型本身是RNN那倒无妨，但如果本身是CNN或Transformer，那伤害就很大了），成本的提升幅度比效果的提升幅度大得多。

构建负样本

纵观大部分解决Exposure Bias的论文，以及结合我们前面的例子和体会，不难想到，其主要思想就是构造有代表性的负样本，然后在训练过程中降低这些负样本的概率，所以问题就是如何构造“有代表性”的负样本了。这里给出笔者构思的一种简单策略，实验证明它能一定程度上缓解Exposure Bias，提升文本生成的表现，重要的是，这种策略比较简单，基本能做到即插即用，几乎不损失训练性能。

方法很简单，就是随机替换一下Decoder的输入词（Decoder的输入词有个专门的名字，叫做oracle words），如下图所示：

在这里插入图片描述

其中紫色的[R]代表被随机替换的词。其实不少Exposure Bias的论文也是这个思路，只不过随机选词的方案不一样。笔者提出的方案很简单：

1、50%的概率不做改变；

2、50%的概率把输入序列中30%的词替换掉，替换对象为原目标序列的任意一个词。

也就是说，随机替换发生概率是50%，随机替换的比例是30%，随机抽取空间就是目标序列的词集。这个策略的灵感在于：尽管Seq2Seq不一定能完全生成目标序列，但它通常能生成大部分目标序列的词（但顺序可能不对，或者重复出现同一些词），因此这样替换后的输入序列通常可以作为有代表性的负样本。对了，说明一下，50%和30%这两个比例纯粹是拍脑袋的，没仔细调参，因为生成模型调一次实在是太累了。