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注意力机制的具体实行代码

时间: 2025-05-20 21:41:03 浏览: 23
### 注意力机制的具体实现代码 以下是一些常见的注意力机制的实现代码示例,涵盖了多种类型的注意力机制,包括Bahdanau注意力、Luong注意力以及自注意力(Self-Attention)。 #### 1. Bahdanau Attention 实现 Bahdanau注意力是一种加性注意力机制,它通过计算隐藏状态和上下文向量之间的相似性来生成注意力权重。以下是基于PyTorch的一个简单实现: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F class BahdanauAttention(nn.Module): def __init__(self, hidden_size): super(BahdanauAttention, self).__init__() self.Wa = nn.Linear(hidden_size, hidden_size) self.Ua = nn.Linear(hidden_size, hidden_size) self.Va = nn.Linear(hidden_size, 1) def forward(self, query, keys): # query: (batch_size, hidden_size) # keys: (batch_size, seq_len, hidden_size) query = query.unsqueeze(1) # (batch_size, 1, hidden_size) scores = self.Va(torch.tanh(self.Wa(query) + self.Ua(keys))) # (batch_size, seq_len, 1) weights = F.softmax(scores, dim=1) # (batch_size, seq_len, 1) context = torch.sum(weights * keys, dim=1) # (batch_size, hidden_size) return context, weights.squeeze(2) ``` --- #### 2. Luong Attention 实现 Luong注意力是一种乘法注意力机制,它的特点是更直观且易于实现。下面是一个简单的PyTorch实现: ```python class LuongAttention(nn.Module): def __init__(self, method='dot', hidden_size=256): super(LuongAttention, self).__init__() self.method = method if self.method not in ['dot', 'general', 'concat']: raise ValueError('Unsupported attention type') if self.method == 'general': self.attn = nn.Linear(hidden_size, hidden_size) def dot_score(self, hidden, encoder_outputs): return torch.sum(hidden * encoder_outputs, dim=2) def general_score(self, hidden, encoder_outputs): energy = self.attn(encoder_outputs) return torch.sum(hidden * energy, dim=2) def concat_score(self, hidden, encoder_outputs): expand_hidden = hidden.expand(encoder_outputs.size(0), -1, -1) energy = torch.tanh(self.attn(torch.cat((expand_hidden, encoder_outputs), 2))) return torch.sum(self.v * energy, dim=2) def forward(self, hidden, encoder_outputs): if self.method == 'dot': attn_energies = self.dot_score(hidden, encoder_outputs) elif self.method == 'general': attn_energies = self.general_score(hidden, encoder_outputs) elif self.method == 'concat': attn_energies = self.concat_score(hidden, encoder_outputs) attn_weights = F.softmax(attn_energies, dim=1).unsqueeze(1) context = attn_weights.bmm(encoder_outputs.transpose(0, 1)) return context, attn_weights ``` --- #### 3. Self-Attention 实现 自注意力机制广泛应用于Transformer架构中,用于捕捉序列内部的关系。下面是基于TensorFlow/Keras的一个简单实现: ```python import tensorflow as tf from tensorflow.keras.layers import Layer, Dense class MultiHeadSelfAttention(Layer): def __init__(self, embed_dim, num_heads=8): super(MultiHeadSelfAttention, self).__init__() self.embed_dim = embed_dim self.num_heads = num_heads assert embed_dim % num_heads == 0 self.projection_dim = embed_dim // num_heads self.query_dense = Dense(embed_dim) self.key_dense = Dense(embed_dim) self.value_dense = Dense(embed_dim) self.combine_heads = Dense(embed_dim) def call(self, inputs): batch_size = tf.shape(inputs)[0] query = self.query_dense(inputs) # (batch_size, seq_len, embed_dim) key = self.key_dense(inputs) # (batch_size, seq_len, embed_dim) value = self.value_dense(inputs) # (batch_size, seq_len, embed_dim) query = self.split_heads(query, batch_size) # (batch_size, heads, seq_len_q, depth) key = self.split_heads(key, batch_size) # (batch_size, heads, seq_len_k, depth) value = self.split_heads(value, batch_size) # (batch_size, heads, seq_len_v, depth) scaled_attention, _ = self.scaled_dot_product_attention(query, key, value) scaled_attention = tf.transpose(scaled_attention, perm=[0, 2, 1, 3]) # (batch_size, seq_len_q, heads, depth) concat_attention = tf.reshape(scaled_attention, (batch_size, -1, self.embed_dim)) # (batch_size, seq_len_q, embed_dim) outputs = self.combine_heads(concat_attention) # (batch_size, seq_len_q, embed_dim) return outputs def split_heads(self, x, batch_size): """Split the last dimension into (num_heads, projection_dim).""" x = tf.reshape(x, (batch_size, -1, self.num_heads, self.projection_dim)) return tf.transpose(x, perm=[0, 2, 1, 3]) @staticmethod def scaled_dot_product_attention(q, k, v): matmul_qk = tf.matmul(q, k, transpose_b=True) # (..., seq_len_q, seq_len_k) dk = tf.cast(tf.shape(k)[-1], tf.float32) scaled_attention_logits = matmul_qk / tf.math.sqrt(dk) attention_weights = tf.nn.softmax(scaled_attention_logits, axis=-1) # (..., seq_len_q, seq_len_k) output = tf.matmul(attention_weights, v) # (..., seq_len_q, depth_v) return output, attention_weights ``` --- #### 4. 轴注意(Axial Attention) 轴注意旨在高效处理高维数据,例如图像或视频。以下是从`axial-attention`库中简化的一个实现片段[^2]: ```python class AxialAttentionBlock(nn.Module): def __init__(self, in_channels, out_channels, groups=8): super(AxialAttentionBlock, self).__init__() self.conv_h = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=(1, 3), padding=(0, 1), groups=groups) self.conv_w = nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=(3, 1), padding=(1, 0), groups=groups) self.bn = nn.BatchNorm2d(out_channels) self.relu = nn.ReLU(inplace=True) def forward(self, x): identity = x n, c, h, w = x.size() x_h = self.conv_h(x) x_w = self.conv_w(x.permute(0, 1, 3, 2)).permute(0, 1, 3, 2) out = self.bn(x_h + x_w) out += identity out = self.relu(out) return out ``` --- ###
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