解读DiffusionNER: Boundary Diffusion for Named Entity Recognition

news2024/12/24 9:52:12

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摘要
1. 图1
图2
- 1. 上方：扩散过程与实体边界
- 2. 下方：网络结构（Sentence Encoder + Entity Decoder）
- 3. 关键思想小结

摘要

主要内容分为四个部分：

模型定位与基本原理：

提出了DiffusionNER模型
将命名实体识别(NER)任务重新定义为边界去噪扩散过程
目标是从带噪声的文本片段中生成命名实体

工作流程：
训练阶段：

对黄金标准(ground truth)的实体边界逐步添加噪声
使用固定的前向扩散过程
学习反向扩散过程来恢复实体边界

推理阶段：

从标准高斯分布随机采样噪声片段
使用学习到的反向扩散过程对这些片段进行去噪
最终生成命名实体

创新优势：

允许渐进式改进：可以逐步优化结果
支持动态采样：能够灵活调整生成实体的数量
高效灵活：具有高效且灵活的实体生成能力

实验验证：

在多个数据集上进行了测试，包括：
- 平面(flat)NER数据集
- 嵌套(nested)NER数据集
实验结果表明：
- 性能与现有最优模型相当
- 在某些情况下甚至取得了更好的性能

这个摘要简洁地概括了论文的核心创新和主要贡献，强调了DiffusionNER在实体识别任务中的独特方法和优越性能。这是一个将扩散模型创新性地应用于NER任务的尝试，显示了很好的应用潜力。

1. 图1

在这里插入图片描述

图1展示了DiffusionNER的核心工作流程，主要包含3个关键部分：

左侧(原始命名实体):

展示了一个示例句子：“Premier of the western Canadian province of British Columbia”
包含多个标注的命名实体，例如：
- (1, 9 | PER): "Premier of the western Canadian province"是人物
- (8, 9 | GPE): "British Columbia"是地理政治实体
- (16, 18 | ORG): 某个组织实体

中间(前向过程 Forward Process):

使用符号"~"表示添加噪声的过程
公式 ε ~ N(0,1) 表示从标准高斯分布中采样噪声
这个过程会逐步将原始的实体边界信息模糊化
噪声是按照预定义的方差时间表来添加的

右侧(反向过程 Reverse Process):

展示了从带噪声的span恢复到原始实体的过程
通过"denoise"(去噪)操作逐步恢复实体边界
最终目标是重构出原始的命名实体及其类型

关键创新点：

双向转换设计：

前向过程：实体→噪声
反向过程：噪声→实体
这种设计允许模型学习如何从噪声中恢复实体信息

边界扩散思想：

不是对整个文本进行扩散
而是专注于实体边界的扩散
这使得模型可以更精确地关注实体识别任务的核心

渐进式改进：
通过多步骤的去噪过程，模型可以逐步提升实体识别的准确性
灵活性：

推理时可以从任意数量的噪声span开始
这提供了更大的识别灵活性

这个图很好地展示了DiffusionNER的核心思想：将实体识别转化为一个边界去噪的过程，通过逐步去噪来实现高质量的实体识别。

图2

在这里插入图片描述
从这张图可以看出，DiffusionNER 的整体流程是将「实体边界的预测」用一个「扩散+去噪」的思路来建模。图中分为上下两个部分：上方展示了 扩散过程（forward & reverse） 如何在实体边界上加噪、去噪；下方展示了具体的 网络结构（句子编码器 + 实体解码器）及输入输出。以下是各部分的要点：

1. 上方：扩散过程与实体边界

左到右的扩散过程 (xₜ → x₀)：
- 最左侧的 xₜ（T 步时的表示）是一个完全「随机噪声」或「极度带噪」的实体边界表示，随着步骤从 T 递减到 0 (t: T → T-1 → … → 0)，噪声逐渐被去除。
- 最右侧的 x₀ 对应「干净的」或「金标准」实体边界（也就是我们想要预测/还原的实体）。
- 每个矩形格子可以理解为句子中某个 token（或者 token 边界）的位置；中间的小圆点表示在这个位置上，实体边界可能存在的概率或噪声强度。
q(xₜ | xₜ₋₁) 及 pθ(xₜ₋₁ | xₜ)：
- 图中用两条箭头分别标注了前向扩散 (q) 和逆向扩散 (pθ) 两个条件概率。
- 前向扩散 (q): 逐步向干净的实体标注 x₀ 注入噪声，一直走到 xₜ。
- 逆向扩散 (pθ): 训练好的网络根据当前带噪的 xₜ，反向预测出更“干净”一点的 xₜ₋₁，最终一步步逼近 x₀。
彩色边界标注
- 在最右侧，彩色的框线/下划线表示最终识别到的实体及其类型：红色 (PER)、蓝色 (GPE)、绿色 (ORG)、橙色 (LOC) 等。
- 这与上方示例 “Premier … British Columbia … University of Sydney …” 对应，是对文本中人名、地理实体、组织机构、地点等的分类结果。

2. 下方：网络结构（Sentence Encoder + Entity Decoder）

Sentence Encoder（句子编码器）：
- 图中底部左侧的浅粉色框 “Sentence Encoder” 负责对整句话（“Premier of the western Canadian province of British Columbia achieved his master’s degree from the University of Sydney”）进行表征提取，输出上下文隐藏向量 Hₛ。
- 这一步类似常规的预训练语言模型（如 BERT、RoBERTa）或其它 Transformer 编码器，把文本转成深层特征表示。
Entity Decoder（实体解码器）：
- 编码器输出的 Hₛ 被送入右侧粉色框 “Entity Decoder”。
- 同时，解码器也会接收当前扩散步骤的带噪实体表示 xₜ。
- 解码器根据 (Hₛ, xₜ)，预测下一时刻更“干净”的实体边界 xₜ₋₁，或直接估计最终的 x₀。
- 公式所示：
  $x_{t-1} = \sqrt{1 - \alpha_{t-1}} \,\hat{x}_t + \sqrt{\alpha_t}\, x_0$
  说明了在去噪时如何加权当前估计和原始信号，从而逐渐还原出实体边界。
动态去噪 & 实体生成：
- 整个解码过程中，网络反复执行「去噪」的推理步骤，使得最初随机的 xₜ 慢慢收敛到正确的实体位置。
- 最终我们得到的 x₀ 就是模型认为的实体分布（边界及类型）。