Pytorch-LSTM输入输出参数方式

2023-05-13 原文

1.Pytorch中的LSTM中输入输出参数

nn.lstm是继承nn.RNNBase，初始化的定义如下：

class RNNBase(Module):
	...
    def __init__(self, mode, input_size, hidden_size,
                 num_layers=1, bias=True, batch_first=False,
                 dropout=0., bidirectional=False):

以下是Pytorch中的参数及其含义，解释如下：

input_size – 输入数据的大小，也就是前面例子中每个单词向量的长度
hidden_size – 隐藏层的大小（即隐藏层节点数量），输出向量的维度等于隐藏节点数
num_layers – recurrent layer的数量，默认等于1。
bias – If False, then the layer does not use bias weights b_ih and b_hh. Default: True
batch_first – 默认为False，也就是说官方不推荐我们把batch放在第一维，这个与之前常见的CNN输入有点不同，此时输入输出的各个维度含义为 (seq_length,batch,feature)。当然如果你想和CNN一样把batch放在第一维，可将该参数设置为True，即 (batch,seq_length,feature)，习惯上将batch_first 设置为True。
dropout – 如果非0，就在除了最后一层的其它层都插入Dropout层，默认为0。
bidirectional – 如果设置为 True, 则表示双向 LSTM，默认为 False

2.输入数据（以batch_first=True，单层单向为例）

假设输入数据信息如下：

输入维度 = 28

nn.lstm中的API输入参数如下：

time_steps= 3
batch_first = True
batch_size = 10
hidden_size =4
num_layers = 1
bidirectional = False

备注：先以简单的num_layers=1和bidirectional=1为例，后面会讲到num_layers与bidirectional的LSTM网络具体构造。

下在面代码的中：

lstm_input是输入数据，隐层初始输入h_init和记忆单元初始输入c_init的解释如下：

h_init：维度形状为 (num_layers * num_directions, batch, hidden_size)：

第一个参数的含义num_layers * num_directions，即LSTM的层数乘以方向数量。这个方向数量是由前面介绍的bidirectional决定，如果为False,则等于1；反之等于2（可以结合下图理解num_layers * num_directions的含义）。
batch：批数据量大小
hidden_size: 隐藏层节点数

c_init：维度形状也为(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)，各参数含义与h_init相同。因为本质上，h_init与c_init只是在不同时刻的不同表达而已。

备注：如果没有传入，h_init和c_init，根据源代码来看，这两个参数会默认为0。

import torch
from torch.autograd import Variable
from torch import nn
 
input_size = 28
hidden_size = 4
 
lstm_seq = nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers=1,batch_first=True)  # 构建LSTM网络
lstm_input = Variable(torch.randn(10, 3, 28))  # 构建输入
h_init = Variable(torch.randn(1, lstm_input.size(0), hidden_size))  # 构建h输入参数   -- 每个batch对应一个隐层
c_init = Variable(torch.randn(1, lstm_input.size(0), hidden_size))  # 构建c输出参数   -- 每个batch对应一个隐层
out, (h, c) = lstm_seq(lstm_input, (h_init, c_init))  # 将输入数据和初始化隐层、记忆单元信息传入
 
print(lstm_seq.weight_ih_l0.shape) # 对应的输入学习参数
print(lstm_seq.weight_hh_l0.shape) # 对应的隐层学习参数
print(out.shape, h.shape, c.shape)

输出结果如下：

输出结果解释如下：

（1）lstm_seq.weight_ih_l0.shape的结果为：torch.Size([16, 28])，表示对应的输入到隐层的学习参数：(4*hidden_size, input_size)。

（2）lstm_seq.weight_hh_l0.shape的结果为：torch.Size([16, 4])，表示对应的隐层到隐层的学习参数：(4*hidden_size, num_directions * hidden_size)

（3）out.shape的输出结果：torch.Size([10,3, 4])，表示隐层到输出层学习参数，即(batch，time_steps, num_directions * hidden_size)，维度和输入数据类似，会根据batch_first是否为True进行对应的输出结果，（如果代码中，batch_first=False，则out.shape的结果会变为：torch.Size([3, 10, 4])），

这个输出tensor包含了LSTM模型最后一层每个time_step的输出特征，比如说LSTM有两层，那么最后输出的是,表示第二层LSTM每个time step对应的输出；另外如果前面对输入数据使用了torch.nn.utils.rnn.PackedSequence,那么输出也会做同样的操作编程packed sequence；对于unpacked情况，我们可以对输出做如下处理来对方向作分离output.view(seq_len, batch, num_directions, hidden_size), 其中前向和后向分别用0和1表示。

h.shape输出结果是： torch.Size([1, 10, 4]),表示隐层到输出层的参数，h_n：(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)，只会输出最后一个time step的隐状态结果（如下图所示）

c.shape的输出结果是： torch.Size([1, 10, 4])，表示隐层到输出层的参数，c_n ：(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)，同样只会输出最后一个time step的cell状态结果（如下图所示）

3.输入数据（以batch_first=True，双层双向）

'''
    batch_first = True :   输入形式：(batch, seq, feature)
    bidirectional = True
    num_layers = 2
'''
num_layers = 2
bidirectional_set  = True
bidirectional = 2 if bidirectional_set else 1
 
input_size = 28
hidden_size = 4
 
lstm_seq = nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers=num_layers,bidirectional=bidirectional_set,batch_first=True)  # 构建LSTM网络
lstm_input = Variable(torch.randn(10, 3, 28))  # 构建输入
h_init = Variable(torch.randn(num_layers*bidirectional, lstm_input.size(0), hidden_size))  # 构建h输入参数
c_init = Variable(torch.randn(num_layers*bidirectional, lstm_input.size(0), hidden_size))  # 构建c输出参数
out, (h, c) = lstm_seq(lstm_input, (h_init, c_init))  # 计算
print(lstm_seq.weight_ih_l0.shape)
print(lstm_seq.weight_hh_l0.shape)
print(out.shape, h.shape, c.shape)

输出结果如下：

Pytorch-LSTM函数参数解释图解

最近在写有关LSTM的代码，但是对于nn.LSTM函数中的有些参数还是不明白其具体含义，学习过后在此记录。

为了方便说明，我们先解释函数参数的作用，接着对应图片来说明每个参数的具体含义。

torch.nn.LSTM函数

LSTM的函数

class torch.nn.LSTM(args, *kwargs)
	# 主要参数
	# input_size – 输入的特征维度
	# hidden_size – 隐状态的特征维度
	# num_layers – 层数（和时序展开要区分开）
	# bias – 如果为False，那么LSTM将不会使用偏置，默认为True。
	# batch_first – 如果为True，那么输入和输出Tensor的形状为(batch, seq_len, input_size)
	# dropout – 如果非零的话，将会在RNN的输出上加个dropout，最后一层除外。
	# bidirectional – 如果为True，将会变成一个双向RNN，默认为False。

LSTM的输入维度为 (seq_len, batch, input_size) 如果batch_first为True，则输入形状为(batch, seq_len, input_size)

seq_len是文本的长度;
batch是批次的大小;
input_size是每个输入的特征纬度（一般是每个字/单词的向量表示;

LSTM的输出维度为 (seq_len, batch, hidden_size * num_directions)

seq_len是文本的长度;
batch是批次的大小;
hidden_size是定义的隐藏层长度
num_directions指的则是如果是普通LSTM该值为1; Bi-LSTM该值为2

当然，仅仅用文本来说明则让人感到很懵逼，所以我们使用图片来说明。

图解LSTM函数

我们常见的LSTM的图示是这样的：

但是这张图很具有迷惑性，让我们不易理解LSTM各个参数的意义。具体将上图中每个单元展开则为下图所示：

input_size: 图1中 x_i与图2中绿色节点对应，而绿色节点的长度等于input_size（一般是每个字/单词的向量表示）。

hidden_size: 图2中黄色节点的数量

num_layers: 图2中黄色节点的层数（该图为1）

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持Devmax。