【现代深度学习技术】现代循环神经网络06：编码器-解码器架构

Francek Chen

发布于 2025-05-05 05:00:29

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深度学习 (DL, Deep Learning) 特指基于深层神经网络模型和方法的机器学习。它是在统计机器学习、人工神经网络等算法模型基础上，结合当代大数据和大算力的发展而发展出来的。深度学习最重要的技术特征是具有自动提取特征的能力。神经网络算法、算力和数据是开展深度学习的三要素。深度学习在计算机视觉、自然语言处理、多模态数据分析、科学探索等领域都取得了很多成果。本专栏介绍基于PyTorch的深度学习算法实现。【GitCode】专栏资源保存在我的GitCode仓库：https://gitcode.com/Morse_Chen/PyTorch_deep_learning。

正如我们在机器翻译与数据集中所讨论的，机器翻译是序列转换模型的一个核心问题，其输入和输出都是长度可变的序列。为了处理这种类型的输入和输出，我们可以设计一个包含两个主要组件的架构：第一个组件是一个编码器（encoder）：它接受一个长度可变的序列作为输入，并将其转换为具有固定形状的编码状态。第二个组件是解码器（decoder）：它将固定形状的编码状态映射到长度可变的序列。这被称为编码器-解码器（encoder-decoder）架构，如图1所示。

图1 编码器-解码器架构

我们以英语到法语的机器翻译为例：给定一个英文的输入序列：“They”“are”“watching”“.”。首先，这种“编码器－解码器”架构将长度可变的输入序列编码成一个“状态”，然后对该状态进行解码，一个词元接着一个词元地生成翻译后的序列作为输出：“Ils”“regordent”“.”。由于“编码器－解码器”架构是形成后续章节中不同序列转换模型的基础，因此本节将把这个架构转换为接口方便后面的代码实现。

一、编码器

在编码器接口中，我们只指定长度可变的序列作为编码器的输入X。任何继承这个Encoder基类的模型将完成代码实现。

from torch import nn

#@save
class Encoder(nn.Module):
    """编码器-解码器架构的基本编码器接口"""
    def __init__(self, **kwargs):
        super(Encoder, self).__init__(**kwargs)

    def forward(self, X, *args):
        raise NotImplementedError

二、解码器

在下面的解码器接口中，我们新增一个init_state函数，用于将编码器的输出（enc_outputs）转换为编码后的状态。注意，此步骤可能需要额外的输入，例如：输入序列的有效长度，这在机器翻译与数据集中进行了解释。为了逐个地生成长度可变的词元序列，解码器在每个时间步都会将输入（例如：在前一时间步生成的词元）和编码后的状态映射成当前时间步的输出词元。

#@save
class Decoder(nn.Module):
    """编码器-解码器架构的基本解码器接口"""
    def __init__(self, **kwargs):
        super(Decoder, self).__init__(**kwargs)

    def init_state(self, enc_outputs, *args):
        raise NotImplementedError

    def forward(self, X, state):
        raise NotImplementedError

三、合并编码器和解码器

总而言之，“编码器-解码器”架构包含了一个编码器和一个解码器，并且还拥有可选的额外的参数。在前向传播中，编码器的输出用于生成编码状态，这个状态又被解码器作为其输入的一部分。

#@save
class EncoderDecoder(nn.Module):
    """编码器-解码器架构的基类"""
    def __init__(self, encoder, decoder, **kwargs):
        super(EncoderDecoder, self).__init__(**kwargs)
        self.encoder = encoder
        self.decoder = decoder

    def forward(self, enc_X, dec_X, *args):
        enc_outputs = self.encoder(enc_X, *args)
        dec_state = self.decoder.init_state(enc_outputs, *args)
        return self.decoder(dec_X, dec_state)