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雷鋒網AI研習社按：循環神經網絡（RNN）已經在眾多自然語言處理中取得了大量的成功以及廣泛的應用。但是，網上目前關于RNNs的基礎介紹很少，本文便是介紹RNNs的基礎知識，原理以及在自然語言處理任務重是如何實現的。文章內容根據雷鋒網AI研習社線上分享視頻整理而成。
在近期雷鋒網AI研習社的線上分享會上，來自平安科技的人工智能實驗室的算法研究員羅冬日為大家普及了RNN的基礎知識，分享內容包括其基本機構，優點和不足，以及如何利用LSTM網絡實現語音識別。
羅冬日，目前就職于平安科技人工智能實驗室，曾就職于百度、大眾點評，擔任算法研究員；中國科學院研究生院碩士，主要研究方向為語音識別，自然語言處理。
分享主題：循環神經網絡（RNN）基礎
主要內容：
普通RNN結構
普通RNN的不足
LSTM單元
GRU單元
采用LSTM實現語音識別的例子
RNN和CNN的區別
普通卷積神經網絡（CNN）處理的是“靜態”數據，樣本數據之間獨立，沒有關系。
循環神經網絡（RNN）處理的數據是“序列化”數據。 訓練的樣本前后是有關聯的，即一個序列的當前的輸出與前面的輸出也有關。比如語音識別，一段語音是有時間序列的，說的話前后是有關系的。
總結：在空間或局部上有關聯圖像數據適合卷積神經網絡來處理，在時間序列上有關聯的數據適合用循環時間網絡處理。但目前也會用卷積神經網絡處理語音問題， 或自然言語理解問題，其實也是把卷積神經網絡的計算方法用到這上面。
RNN 的基本結構和結構展開示意圖：
普通RNN的不足之處
首先是神經網絡里面的計算，可以大致分為三類：函數合成，函數相加，加權計算。
在計算過程中，經常會用到激活函數，比如Sigmoid激活函數。殘差在往前傳播的過程中，每經過一個Sigmoid函數，就要乘以一個Sigmoid函數的導數值，殘差值至少會因此消減為原來的0.25倍。神經網絡每多一層，殘差往前傳遞的時候，就會減少至少3/4。如果層數太多，殘差傳遞到前面已經為0，導致前層網絡中國呢的參數無法更新，這就是梯度消失。
LSTM單元和普通RNN單元的區別
主要大的區別是，采用一個叫“細胞狀態（state）”的通道貫穿了整個時間序列。
通過精心設計的稱作“門”的結構來去除或增加信息到細胞狀態的能力。
"忘記門”
“輸入門”的打開關閉也是由當前輸入和上一個時間點的輸出決定的。
“輸出門”，控制輸出多少，最終僅僅會輸出確定輸出的那部分。
所有的公式匯總：
增加peephole的LSTM單元
讓幾個“門”的輸入數據除了正常的輸入數據和上一個時刻的輸出以外，再接受“細胞狀態”的輸入。
GRU單元
它是各種變種之一，將“忘記門”和“輸入們”合成了一個單一的“更新門”，同時還混合了細胞狀態和隱藏狀態。
接下來用RNN做一個實驗，給大家介紹一個簡單的語音識別例子：
關于LSTM+CTC背景知識
2015年，百度公開發布的采用神經網絡的LSTM+CTC模型大幅度降低了語音識別的錯誤率。采用這種技術在安靜環境下的標準普通話的識別率接近97%。
CTC是Connectionist Temporal Classification 的縮寫，詳細的論文介紹見論文“Connectionist Temporal Classification: Labelling Unsegmented Sequence Data with Recurrent Neural Networks”
CTC的計算實際上是計算損失值的過程，就像其他損失函數一樣，它的計算結果也是評估網絡的輸出值和真實差多少。
聲音波形示意圖
在開始之前，需要對原始聲波進行數據處理，輸入數據是提取過聲學特征的數據，以幀長25ms、幀移10ms的分幀為例，一秒鐘的語音數據大概會有100幀左右的數據。
采用MFCC提取特征，默認情況下一幀語音數據會提取13個特征值，那么一秒鐘大概會提取100*13個特征值。用矩陣表示是一個100行13列的矩陣。
把語音數據特征提取完之后，其實就和圖像數據差不多了。只不過圖像數據把整個矩陣作為一個整體輸入到神經網絡里面處理，序列化數據是一幀一幀的數據放到網絡處理。
如果是訓練英文的一句話，假設輸入給LSTM的是一個100*13的數據，發音因素的種類數是26(26個字母），則經過LSTM處理之后，輸入給CTC的數據要求是100*28的形狀的矩陣（28=26+2）。其中100是原始序列的長度，即多少幀的數據，28表示這一幀數據在28個分類上的各自概率。在這28個分類中，其中26個是發音因素，剩下的兩個分別代表空白和沒有標簽。
設計的基本網絡機構
原始的wav文件經過聲學特征提取變成N*13，N代表這段數據有多長，13是每一幀數據有多少特征值。N不是固定的。然后把N*13矩陣輸入給LSTM網絡，這里涉及到兩層雙向LSTM網絡，隱藏節點是40個，經過LSTM網絡之后，如果是單向的，輸出會變成40個維度，雙向的就會變成80個維度。再經過全連接，對這些特征值分類，再經過softmax計算各個分類的概率。后面再接CDC，再接正確的音素序列。
真實的語音識別環境要復雜很多。實驗中要求的是標準普通話和安靜無噪聲的環境。
如果對代碼講解（詳細代碼講解請點擊視頻）感興趣的話，可以復制鏈接中的代碼：https://github.com/thewintersun/tensorflowbook/tree/master/Chapter6
運行結果如下：
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