tf.keras文本分类小例子
Python与算法之美
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2021-01-12 02:04
前几天学了tf.keras，趁热打铁我就整了一个自己比较熟悉的文本分类任务来试试手，效果可能不是很重要，重要的是能把流程走通，所以一切从简。
当然，我这里不想只是简单的弄个流程，码面条那么简单，我还是希望能整一次完整的工程化的代码来练练手，2天时间，纯手打欢迎各位前辈拍砖，也希望对各位有所帮助吧。
懒人目录：
文件结构和模块划分思路 预训练 分类模型 MAIN 预处理部分 word2vector 建模操作 小结 后续改进计划 思路小结
文件结构和模块划分思路
先聊聊整套方案的算法视角思路，文本分类任务的常规基线是TextCNN，这里为了简单我只用了一个简单的卷积层，而没有用TextCNN里面那种复杂形式（有关这个模型的具体解释详见：NLP.TM[24] | TextCNN的个人理解）。
先来看核心代码的文件夹结构：
cls，文本分类模型，以及具体的任务实验。 ptm，预训练模型。 util，工具。
这里面的base_pipline.py是一套完整的流程化代码，接近180行，覆盖加载数据、预处理、训练、测试等全流程，当然我不满足于此，我把里面的关键步骤模块化，形成一个个分别的模块来分别实现。
预训练
预训练我单独拉出来，没有和整体模型放一起，主要是因为预训练模型需要单独训练，也完整地维护了起来，这里我只写了个最简单的word2vector，模型部分使用的也只是调了gensim的包，来看看完整的类代码。
import numpy as np
from nlu_model.util.pkl_impl import save_pkl, load_pkl
from gensim.models.word2vec import Word2Vec
class Word2vector(object):
def __init__(self):
self.word2idx_dic = {}
self.embedding_weights = []
def train(self,
train_data, # 训练数据
N_DIM = 300, # word2vec的数量
MIN_COUNT = 5, # 保证出现的词数足够做才进入词典
w2v_EPOCH = 15, # w2v的训练迭代次数
MAXLEN = 50 # 句子最大长度
):
self.N_DIM = N_DIM
self.MIN_COUNT = MIN_COUNT
self.w2v_EPOCH = w2v_EPOCH
self.MAXLEN = MAXLEN
# Initialize model and build vocab
imdb_w2v = Word2Vec(size=N_DIM, min_count=MIN_COUNT)
imdb_w2v.build_vocab(train_data)
# Train the model over train_reviews (this may take several minutes)
imdb_w2v.train(train_data, total_examples=len(train_data), epochs=w2v_EPOCH)
# word2vec后处理
n_symbols = len(imdb_w2v.wv.vocab.keys()) + 2
embedding_weights = [[0 for i in range(N_DIM)] for i in range(n_symbols)]
np.zeros((n_symbols, 300))
idx = 1
word2idx_dic = {}
w2v_model_metric = []
for w in imdb_w2v.wv.vocab.keys():
embedding_weights[idx] = imdb_w2v[w]
word2idx_dic[w] = idx
idx = idx + 1
# 留给未登录词的位置
avg_weights = [0 for i in range(N_DIM)]
for wd in word2idx_dic:
avg_weights = [(avg_weights[idx]+embedding_weights[word2idx_dic[wd]][idx]) for idx in range(N_DIM)]
avg_weights = [avg_weights[idx] / len(word2idx_dic) for idx in range(N_DIM)]
embedding_weights[idx] = avg_weights
word2idx_dic["" ] = idx
# 留给pad的位置
word2idx_dic["" ] = 0
self.word2idx_dic = word2idx_dic
self.embedding_weights = embedding_weights
def save(self,
word2idx_dic_path, # 词到ID词典路径
embedding_path, # embedding词向量路径
model_conf_path # 模型配置加载)
):
# 保存w2id词典
save_pkl(word2idx_dic_path, self.word2idx_dic)
# 保存词向量矩阵
save_pkl(embedding_path, self.embedding_weights)
# 保存配置
save_pkl(model_conf_path, [self.N_DIM, self.MIN_COUNT, self.w2v_EPOCH, self.MAXLEN])
def __load_default__(self):
self.load("./data/ptm/shopping_reviews/w2v_word2idx2020100601.pkl",
"./data/ptm/shopping_reviews/w2v_model_metric_2020100601.pkl",
"./data/ptm/shopping_reviews/w2v_model_conf_2020100601.pkl")
def load(self, word2idx_dic_path, embedding_path, model_conf_path):
self.N_DIM, self.MIN_COUNT, self.w2v_EPOCH, self.MAXLEN = load_pkl(model_conf_path)
self.embedding_weights = load_pkl(embedding_path)
self.word2idx_dic = load_pkl(word2idx_dic_path)
def word2idx(self, word):
if len(self.word2idx_dic) == 0:
self.__load_default__()
if word in self.word2idx_dic:
return self.word2idx_dic[word]
else:
return len(self.word2idx_dic) - 1
def sentence2idx(self, sentence):
sentence_idx = []
for idx in range(len(sentence)):
sentence_idx.append(self.word2idx(sentence[idx]))
return sentence_idx
def batch2idx(self, source_data):
result_data = []
for idx in range(len(source_data)):
result_data.append(self.sentence2idx(source_data[idx]))
return result_data
def get_np_weights(self):
return np.array(self.embedding_weights)
这里占比最大的是模型训练过程中的数据处理，剩下都是围绕着这个训练完的word2vector做的一些操作，我来画几个重点吧：
词汇的id化。tensorflow在训练过程中embedding_lookup本身是数字计算，所以所有的词汇都要转化为id，而这个id的生成其实来源于word2vector的训练，因此我把映射词典也放在这个类里面维护了，那就包括了各种粒度的映射了。 模型和映射词典以及一些必要的参数保存，我用的是pkl来进行保存，这个保存和加载都比较简单，来看具体的 pkl_impl我是怎么写的：
import pickle
def save_pkl(path, data):
output = open(path, 'wb')
pickle.dump(data, output)
output.close()
def load_pkl(path):
pkl_file = open(path, 'rb')
data = pickle.load(pkl_file)
pkl_file.close()
return data
在词典部分，我手动加了两个特殊词条：未登录词，对应的词向量是所有词向量的均值，pad补全，对应词向量全都是0。
当然，后续还可能有更多预训练的模型，自己可以再调整，这也是模块化的好处，后续要更新模型，就和换零件一样。
分类模型
分类模型这块是分了两层，一个cls模型类，一个具体的模型也把他整成一个类了（这个后续会整一个抽象类让他继承吧）。
首先看具体模型的类，textcnn_small，毕竟这个不是正儿八经的那个textcnn。
from tensorflow import keras
class TextCNNSmall():
"""docstring for TextCNNSmall"""
def __init__(self, model_conf, train_conf={"batch_size":64,"epochs":3, "verbose":1}):
self.model_conf = model_conf
self.train_conf = train_conf
self.__build_structure__()
def __build_structure__(self):
inputs = keras.layers.Input(shape=(self.model_conf["MAX_LEN"],))
embedding_layer = keras.layers.Embedding(output_dim = self.model_conf["w2c_len"],
input_dim = len(self.model_conf["emb_model"].embedding_weights),
weights=[self.model_conf["emb_model"].get_np_weights()],
input_length=self.model_conf["MAX_LEN"],
trainable=True
)
x = embedding_layer(inputs)
l_conv1 = keras.layers.Conv1D(filters=self.model_conf["w2c_len"], kernel_size=3, activation='relu')(x)
l_pool1 = keras.layers.MaxPool1D(pool_size=3)(l_conv1)
l_pool11 = keras.layers.Flatten()(l_pool1)
out = keras.layers.Dropout(0.5)(l_pool11)
output = keras.layers.Dense(32, activation='relu')(out)
pred = keras.layers.Dense(units=1, activation='sigmoid')(output)
self.model = keras.models.Model(inputs=inputs, outputs=pred)
self.model.summary()
self.model.compile(loss="binary_crossentropy", optimizer="adam", metrics=['accuracy'])
def fit(self, x_train, y_train, x_test, y_test):
history = self.model.fit(x_train, y_train, batch_size=self.train_conf.get("batch_size", 64),
epochs=self.train_conf.get("epochs", 3),
validation_data=(x_test, y_test),
verbose=self.train_conf.get("verbose", 1))
return history
def evaluate(self, x_test, y_test):
return self.model.evaluate(x_test, y_test)
def predict(self, sentences):
return self.model.predict(sentences)
def save(self, path):
if self.model:
self.model.save(path)
def load(self, path):
self.model = keras.load_model(path)
就科研而言模型还是核心，但实际上我还做了很多模型法之外的事情：
简单的模型构建，这块没什么难的了。 fit、evaluate、predict，这是经典的3个模型关键步骤，训练、评估、预测，对于工程而言，最关键的应该就是预测了。 模型的加载和保存，这块我也涉及到了。 这里面的参数我都配置化了，从外面输入进来，当然这种字典的形式只是个权宜之计，后续我会汇总好形成各种接口来往外直接暴露。
模型类之上我还整了一个模型类，用来对各种同类型的模型进行维护。
import jieba
from tensorflow import keras
from nlu_model.cls.model.textcnn_small import TextCNNSmall
class ClsModel(object):
def __init__(self, model_choice, model_conf={}, train_conf={}):
self.model_choice = model_choice
self.model_conf = model_conf
self.train_conf = train_conf
self.__model_select__()
def __model_select__(self):
if self.model_choice == "textcnn_small":
self.model = TextCNNSmall(self.model_conf, self.train_conf)
if self.model_choice == "load":
self.load(self.model_conf["path"])
def preprocess(self, sentences):
sentences = [list(jieba.cut(i)) for i in sentences]
sentence_id = self.model_conf["emb_model"].batch2idx(sentences)
return keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(sentence_id,
value=0,
padding='post',
maxlen=50)
def fit(self, x_train, y_train, x_test, y_test):
return self.model.fit(x_train, y_train, x_test, y_test)
def evaluate(self, x_test, y_test):
return self.model.evaluate(x_test, y_test)
def pred(self, sentence):
return self.model.predict(sentence)
def predict(self, sentences):
sentence_id = self.preprocess(sentences)
return self.pred([sentence_id])[0][0]
def save(self, path):
self.model.save(path)
def load(self, path):
self.model = keras.models.load_model(path)
同样画画重点。
这里的模型首先由 __model_select__来进行统一维护和选择，目前支持两种模式，textcnn_small即一个具体的模型，另外的load是加载模式，维护具体的一个模型。__用来区分是private类型成员还是public类型成员，即外界是否能读到，一般不需要外界读的尽量整成__，这里我还需要优化。预处理的这块工作具有一定的重用性，但是仅在文本分类中使用，因此我也维护在这里了，后续可以尝试看看能不能放在util里面。 训练、评估、预测3连，但是这里我整了两个预测，一个是直接针对预处理好的id化序列进行预测，另一个是针对原句来进行预测，其实可以看到后者调用了前者的那个函数。
MAIN
有了这些模块，我们就需要把他们给串起来了，这里我用的是网上找的一套电商评论好坏评的分类数据（https://blog.csdn.net/churximi/article/details/61210129）
预处理部分
首先是预处理部分：
# data preprocess
def loadfile():
# 加载并预处理模型
neg = pd.read_excel('./data/cls/shopping_reviews/neg.xls', header=None, index=None)
pos = pd.read_excel('./data/cls/shopping_reviews/pos.xls', header=None, index=None)
def cw(x):
punctuation = r"[\s+\.\!\/_,$%^*(+\"\']+|[+——！，。？、~@#￥%……&*（）：]+"
x = re.sub(punctuation, "", x)
return list(jieba.cut(x))
pos['words'] = pos[0].apply(cw)
neg['words'] = neg[0].apply(cw)
y = np.concatenate((np.ones(len(pos)), np.zeros(len(neg))))
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(
np.concatenate((pos['words'], neg['words'])), y, test_size=0.2)
return x_train, x_test, y_train, y_test
x_train, x_test, y_train, y_test = loadfile()
with open("./data/cls/shopping_reviews/train.txt", "w") as f:
for idx in range(len(x_train)):
f.write("%s\t%s\n" % (y_train[idx], " ".join(x_train[idx])))
with open("./data/cls/shopping_reviews/test.txt", "w") as f:
for idx in range(len(x_test)):
f.write("%s\t%s\n" % (y_test[idx], " ".join(x_test[idx])))
源文件在excel里面，我去了标点后切词，切完之后做了数据划分，然后分别保存起来了。
word2vector
word2vector = Word2vector()
word2vector.train(x_train)
word2vector.save("./data/ptm/shopping_reviews/w2v_word2idx2020100601.pkl",
"./data/ptm/shopping_reviews/w2v_model_metric_2020100601.pkl",
"./data/ptm/shopping_reviews/w2v_model_conf_2020100601.pkl")
然后是Word2vector的训练，可以看到这块代码非常简洁方便，后续自己再用的时候就很舒服，所以我本身非常喜欢去包装这些东西。
建模操作
建模这块，主要有这几个细节步骤：
训练测试数据的结构转化，要使其符合模型需要的类型。 模型建立和初始化。 训练、评估。 单独测试case。
然后来看看代码：
# 训练测试数据的结构转化，要使其符合模型需要的类型。
x_train = word2vector.batch2idx(x_train)
x_test = word2vector.batch2idx(x_test)
x_train = keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(x_train,
value=0,
padding='post',
maxlen=50)
x_test = keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(x_test,
value=0,
padding='post',
maxlen=50)
# 模型建立和初始化
model_conf = {"MAX_LEN": 50,
"w2c_len": 300,
"emb_model": word2vector}
train_conf = {"batch_size": 64,
"epochs": 5,
"verbose": 1}
cls_model = ClsModel("textcnn_small", model_conf, train_conf)
# 训练、评估
cls_model.fit(x_train, y_train, x_test, y_test)
print(cls_model.evaluate(x_test, y_test))
cls_model.save("./data/cls/shopping_reviews/model_20201007")
# 单独测试case，这里包括用新训练好的模型和保存加载后的模型
sentence = "这台手机真性能还挺好的"
print(cls_model.predict([sentence]))
sentence = "这台手机真性能还挺好的"
word2vector = Word2vector()
cls_model = ClsModel("load", model_conf={"path":"./data/cls/shopping_reviews/model_20201007", "emb_model": word2vector}, train_conf={})
print(cls_model.predict([sentence]))
小结
后续改进计划
这只是初步建立的一个架构，细节还不太完整，需要完善。
注释太少。（为了在今晚发问，所以省了些大家不会介意吧） 在一个超大的项目下，其实还缺少打包、部署之类的框架类脚本和模块，例如用flask等。 同样是大项目下，有多个模型和词典时，需要一个model_manager之类的来维护，有兴趣的可以去看看jieba的源码。 没有日志、没有耗时计算工具。 针对单字的操作可以做。
时候未到，尚未开源，敬请期待。
思路小结
会做实验写算法是一方面，会把自己的东西规范化、结构化整上线又是另一回事，真正的算法工程师，要足够全面，了解工程，最终才能够完成这个项目，有了这个框架，自己尝试更多的模型其实会更加快哈哈哈。
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