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23 | 情感分析：如何使用LSTM进行情感分析？
你好，我是方远。
欢迎来跟我一起学习情感分析，今天我们要讲的就是机器学习里的文本情感分析。文本情感分析又叫做观点提取、主题分析、倾向性分析等。光说概念，你可能会觉得有些抽象，我们一起来看一个生活中的应用，你一看就能明白了。
比方说我们在购物网站上选购一款商品时，首先会翻阅一下商品评价，看看是否有中差评。这些评论信息表达了人们的各种情感色彩和情感倾向性，如喜、怒、哀、乐和批评、赞扬等。像这样根据评价文本，由计算机自动区分评价属于好评、中评或者说差评，背后用到的技术就是情感分析。
如果你进一步观察，还会发现，在好评差评的上方还有一些标签，比如“声音大小合适”、“连接速度快”、“售后态度很好”等。这些标签其实也是计算机根据文本，自动提取的主题或者观点。
情感分析的快速发展得益于社交媒体的兴起，自2000年初以来，情感分析已经成长为自然语言处理（NLP）中最活跃的研究领域之一，它也被广泛应用在个性化推荐、商业决策、舆情监控等方面。
今天这节课，我们将完成一个情感分析项目，一起来对影评文本做分析。
数据准备
现在我们手中有一批影评数据（IMDB数据集），影评被分为两类：正面评价与负面评价。我们需要训练一个情感分析模型，对影评文本进行分类。
这个问题本质上还是一个文本分类问题，研究对象是电影评论类的文本，我们需要对文本进行二分类。下面我们来看一看训练数据。
IMDB（Internet Movie Database）是一个来自互联网电影数据库，其中包含了50000条严重两极分化的电影评论。数据集被划分为训练集和测试集，其中训练集和测试集中各有25000条评论，并且训练集和测试集都包含50%的正面评论和50%的消极评论。
如何用Torchtext读取数据集
我们可以利用Torchtext工具包来读取数据集。
Torchtext是一个包含常用的文本处理工具和常见自然语言数据集的工具包。我们可以类比之前学习过的Torchvision包来理解它，只不过，Torchvision包是用来处理图像的，而Torchtext则是用来处理文本的。
安装Torchtext同样很简单，我们可以使用pip进行安装，命令如下：
pip install torchtext
Torchtext中包含了上面我们要使用的IMDB数据集，并且还有读取语料库、词转词向量、词转下标、建立相应迭代器等功能，可以满足我们对文本的处理需求。
更为方便的是，Torchtext已经把一些常见对文本处理的数据集囊括在了torchtext.datasets中，与Torchvision类似，使用时会自动下载、解压并解析数据。
以IMDB为例，我们可以用后面的代码来读取数据集：
# 读取IMDB数据集
import torchtext
train_iter = torchtext.datasets.IMDB(root='./data', split='train')
next(train_iter)
torchtext.datasets.IMDB函数有两个参数，其中：
- root：是一个字符串，用于指定你想要读取目标数据集的位置，如果数据集不存在，则会自动下载；
- split：是一个字符串或者元组，表示返回的数据集类型，是训练集、测试集或验证集，默认是 (‘train’, ‘test’)。
torchtext.datasets.IMDB函数的返回值是一个迭代器，这里我们读取了IMDB数据集中的训练集，共25000条数据，存入了变量train_iter中。
程序运行的结果如下图所示。我们可以看到，利用next()函数，读取出迭代器train_iter中的一条数据，每一行是情绪分类以及后面的评论文本。“neg”表示负面评价，“pos”表示正面评价。
数据处理pipelines
读取出了数据集中的评论文本和情绪分类，我们还需要将文本和分类标签处理成向量，才能被计算机读取。处理文本的一般过程是先分词，然后根据词汇表将词语转换为id。
Torchtext为我们提供了基本的文本处理工具，包括分词器“tokenizer”和词汇表“vocab”。我们可以用下面两个函数来创建分词器和词汇表。
get_tokenizer函数的作用是创建一个分词器。将文本喂给相应的分词器，分词器就可以根据不同分词函数的规则完成分词。例如英文的分词器，就是简单按照空格和标点符号进行分词。
build_vocab_from_iterator函数可以帮助我们使用训练数据集的迭代器构建词汇表，构建好词汇表后，输入分词后的结果，即可返回每个词语的id。
创建分词器和构建词汇表的代码如下。首先我们要建立一个可以处理英文的分词器tokenizer，然后再根据IMDB数据集的训练集迭代器train_iter建立词汇表vocab。
# 创建分词器
tokenizer = torchtext.data.utils.get_tokenizer('basic_english')
print(tokenizer('here is the an example!'))
'''
输出：['here', 'is', 'the', 'an', 'example', '!']
'''
# 构建词汇表
def yield_tokens(data_iter):
for _, text in data_iter:
yield tokenizer(text)
vocab = torchtext.vocab.build_vocab_from_iterator(yield_tokens(train_iter), specials=["<pad>", "<unk>"])
vocab.set_default_index(vocab["<unk>"])
print(vocab(tokenizer('here is the an example <pad> <pad>')))
'''
输出：[131, 9, 40, 464, 0, 0]
'''
在构建词汇表的过程中，yield_tokens函数的作用就是依次将训练数据集中的每一条数据都进行分词处理。另外，在构建词汇表时，用户还可以利用specials参数自定义词表。
上述代码中我们自定义了两个词语：“”和“”，分别表示占位符和未登录词。顾名思义，未登录词是指没有被收录在分词词表中的词。由于每条影评文本的长度不同，不能直接批量合成矩阵，因此需通过截断或填补占位符来固定长度。
为了方便后续调用，我们使用分词器和词汇表来建立数据处理的pipelines。文本pipeline用于给定一段文本，返回分词后的id。标签pipeline用于将情绪分类转化为数字，即“neg”转化为0，“pos”转化为1。
具体代码如下所示。
# 数据处理pipelines
text_pipeline = lambda x: vocab(tokenizer(x))
label_pipeline = lambda x: 1 if x == 'pos' else 0
print(text_pipeline('here is the an example'))
'''
输出：[131, 9, 40, 464, 0, 0 , ... , 0]
'''
print(label_pipeline('neg'))
'''
输出：0
'''
通过示例的输出结果，相信你很容易就能理解文本pipeline和标签pipeline的用法了。
生成训练数据
有了数据处理的pipelines，接下来就是生成训练数据，也就是生成DataLoader。
这里还涉及到一个变长数据处理的问题。我们在将文本pipeline所生成的id列表转化为模型能够识别的tensor时，由于文本的句子是变长的，因此生成的tensor长度不一，无法组成矩阵。
这时，我们需要限定一个句子的最大长度。例如句子的最大长度为256个单词，那么超过256个单词的句子需要做截断处理；不足256个单词的句子，需要统一补位，这里用“/”来填补。
上面所说的这些操作，我们都可以放到collate_batch函数中来处理。
collate_batch函数有什么用呢？它负责在DataLoad提取一个batch的样本时，完成一系列预处理工作：包括生成文本的tensor、生成标签的tensor、生成句子长度的tensor，以及上面所说的对文本进行截断、补位操作。所以，我们将collate_batch函数通过参数collate_fn传入DataLoader，即可实现对变长数据的处理。
collate_batch函数的定义，以及生成训练与验证DataLoader的代码如下。
# 生成训练数据
import torch
import torchtext
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.data.dataset import random_split
from torchtext.data.functional import to_map_style_dataset
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
def collate_batch(batch):
max_length = 256
pad = text_pipeline('<pad>')
label_list, text_list, length_list = [], [], []
for (_label, _text) in batch:
label_list.append(label_pipeline(_label))
processed_text = text_pipeline(_text)[:max_length]
length_list.append(len(processed_text))
text_list.append((processed_text+pad*max_length)[:max_length])
label_list = torch.tensor(label_list, dtype=torch.int64)
text_list = torch.tensor(text_list, dtype=torch.int64)
length_list = torch.tensor(length_list, dtype=torch.int64)
return label_list.to(device), text_list.to(device), length_list.to(device)
train_iter = torchtext.datasets.IMDB(root='./data', split='train')
train_dataset = to_map_style_dataset(train_iter)
num_train = int(len(train_dataset) * 0.95)
split_train_, split_valid_ = random_split(train_dataset,
[num_train, len(train_dataset) - num_train])
train_dataloader = DataLoader(split_train_, batch_size=8, shuffle=True, collate_fn=collate_batch)
valid_dataloader = DataLoader(split_valid_, batch_size=8, shuffle=False, collate_fn=collate_batch)
我们一起梳理一下这段代码的流程，一共是五个步骤。
1.利用torchtext读取IMDB的训练数据集，得到训练数据迭代器；
2.使用to_map_style_dataset函数将迭代器转化为Dataset类型；
3.使用random_split函数对Dataset进行划分，其中95%作为训练集，5%作为验证集；
4.生成训练集的DataLoader；
5.生成验证集的DataLoader。
到此为止，数据部分已经全部准备完毕了，接下来我们来进行网络模型的构建。
模型构建
之前我们已经学过卷积神经网络的相关知识。卷积神经网络使用固定的大小矩阵作为输入（例如一张图片），然后输出一个固定大小的向量（例如不同类别的概率），因此适用于图像分类、目标检测、图像分割等等。
但是除了图像之外，还有很多信息，其大小或长度并不是固定的，例如音频、视频、文本等。我们想要处理这些序列相关的数据，就要用到时序模型。比如我们今天要处理的文本数据，这就涉及一种常见的时间序列模型：循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）。
不过由于RNN自身的结构问题，在进行反向传播时，容易出现梯度消失或梯度爆炸。LSTM网络在RNN结构的基础上进行了改进，通过精妙的门控制将短时记忆与长时记忆结合起来，一定程度上解决了梯度消失与梯度爆炸的问题。
我们使用LSTM网络来进行情绪分类的预测。模型的定义如下。
# 定义模型
class LSTM(torch.nn.Module):
def __init__(self, vocab_size, embedding_dim, hidden_dim, output_dim, n_layers, bidirectional,
dropout_rate, pad_index=0):
super().__init__()
self.embedding = torch.nn.Embedding(vocab_size, embedding_dim, padding_idx=pad_index)
self.lstm = torch.nn.LSTM(embedding_dim, hidden_dim, n_layers, bidirectional=bidirectional,
dropout=dropout_rate, batch_first=True)
self.fc = torch.nn.Linear(hidden_dim * 2 if bidirectional else hidden_dim, output_dim)
self.dropout = torch.nn.Dropout(dropout_rate)
def forward(self, ids, length):
embedded = self.dropout(self.embedding(ids))
packed_embedded = torch.nn.utils.rnn.pack_padded_sequence(embedded, length, batch_first=True,
enforce_sorted=False)
packed_output, (hidden, cell) = self.lstm(packed_embedded)
output, output_length = torch.nn.utils.rnn.pad_packed_sequence(packed_output)
if self.lstm.bidirectional:
hidden = self.dropout(torch.cat([hidden[-1], hidden[-2]], dim=-1))
else:
hidden = self.dropout(hidden[-1])
prediction = self.fc(hidden)
return prediction
网络模型的具体结构，首先是一个Embedding层，用来接收文本id的tensor，然后是LSTM层，最后是一个全连接分类层。其中，bidirectional为True，表示网络为双向LSTM，bidirectional为False，表示网络为单向LSTM。
网络模型的结构图如下所示。
模型训练与评估
定义好网络模型的结构，我们就可以进行模型训练了。首先是实例化网络模型，参数以及具体的代码如下。
# 实例化模型
vocab_size = len(vocab)
embedding_dim = 300
hidden_dim = 300
output_dim = 2
n_layers = 2
bidirectional = True
dropout_rate = 0.5
model = LSTM(vocab_size, embedding_dim, hidden_dim, output_dim, n_layers, bidirectional, dropout_rate)
model = model.to(device)
由于数据的情感极性共分为两类，因此这里我们要把output_dim的值设置为2。
接下来是定义损失函数与优化方法，代码如下。在之前的课程里也多次讲过了，所以这里不再重复。
# 损失函数与优化方法
lr = 5e-4
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
criterion = criterion.to(device)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)
计算loss的代码如下。
import tqdm
import sys
import numpy as np
def train(dataloader, model, criterion, optimizer, device):
model.train()
epoch_losses = []
epoch_accs = []
for batch in tqdm.tqdm(dataloader, desc='training...', file=sys.stdout):
(label, ids, length) = batch
label = label.to(device)
ids = ids.to(device)
length = length.to(device)
prediction = model(ids, length)
loss = criterion(prediction, label) # loss计算
accuracy = get_accuracy(prediction, label)
# 梯度更新
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
epoch_losses.append(loss.item())
epoch_accs.append(accuracy.item())
return epoch_losses, epoch_accs
def evaluate(dataloader, model, criterion, device):
model.eval()
epoch_losses = []
epoch_accs = []
with torch.no_grad():
for batch in tqdm.tqdm(dataloader, desc='evaluating...', file=sys.stdout):
(label, ids, length) = batch
label = label.to(device)
ids = ids.to(device)
length = length.to(device)
prediction = model(ids, length)
loss = criterion(prediction, label) # loss计算
accuracy = get_accuracy(prediction, label)
epoch_losses.append(loss.item())
epoch_accs.append(accuracy.item())
return epoch_losses, epoch_accs
可以看到，这里训练过程与验证过程的loss计算，分别定义在了train函数和evaluate函数中。主要区别是训练过程有梯度的更新，而验证过程中不涉及梯度的更新，只计算loss即可。
模型的评估我们使用ACC，也就是准确率作为评估指标，计算ACC的代码如下。
def get_accuracy(prediction, label):
batch_size, _ = prediction.shape
predicted_classes = prediction.argmax(dim=-1)
correct_predictions = predicted_classes.eq(label).sum()
accuracy = correct_predictions / batch_size
return accuracy
最后，训练过程的具体代码如下。包括计算loss和ACC、保存losses列表和保存最优模型。
n_epochs = 10
best_valid_loss = float('inf')
train_losses = []
train_accs = []
valid_losses = []
valid_accs = []
for epoch in range(n_epochs):
train_loss, train_acc = train(train_dataloader, model, criterion, optimizer, device)
valid_loss, valid_acc = evaluate(valid_dataloader, model, criterion, device)
train_losses.extend(train_loss)
train_accs.extend(train_acc)
valid_losses.extend(valid_loss)
valid_accs.extend(valid_acc)
epoch_train_loss = np.mean(train_loss)
epoch_train_acc = np.mean(train_acc)
epoch_valid_loss = np.mean(valid_loss)
epoch_valid_acc = np.mean(valid_acc)
if epoch_valid_loss < best_valid_loss:
best_valid_loss = epoch_valid_loss
torch.save(model.state_dict(), 'lstm.pt')
print(f'epoch: {epoch+1}')
print(f'train_loss: {epoch_train_loss:.3f}, train_acc: {epoch_train_acc:.3f}')
print(f'valid_loss: {epoch_valid_loss:.3f}, valid_acc: {epoch_valid_acc:.3f}')
我们还可以利用保存下来train_losses列表，绘制训练过程中的loss曲线，或使用第15课讲过的可视化工具来监控训练过程。
至此，一个完整的情感分析项目已经完成了。从数据读取到模型构建与训练的方方面面，我都手把手教给了你，希望你能以此为模板，独立解决自己的问题。
小结
恭喜你，完成了今天的学习任务。今天我们一起完成了一个情感分析项目的实践，相当于是对自然语言处理任务的一个初探。我带你回顾一下今天学习的要点。
在数据准备阶段，我们可以使用PyTorch提供的文本处理工具包Torchtext。想要掌握Torchtext也不难，我们可以类比之前详细介绍过的Torchvision，不懂的地方再对应去查阅文档，相信你一定可以做到举一反三。
模型构建时，要根据具体的问题选择适合的神经网络。卷积神经网络常被用于处理图像作为输入的预测问题；循环神经网络常被用于处理变长的、序列相关的数据。而LSTM相较于RNN，能更好地解决梯度消失与梯度爆炸的问题。
在后续的课程中，我们还会讲解两大自然语言处理任务：文本分类和摘要生成，它们分别包括了判别模型和生成模型，相信那时你一定会在文本处理方面有更深层次的理解。
每课一练
利用今天训练的模型，编写一个函数predict_sentiment，实现输入一句话，输出这句话的情绪类别与概率。
例如：
text = "This film is terrible!"
predict_sentiment(text, model, tokenizer, vocab, device)
'''
输出：('neg', 0.8874172568321228)
'''
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