AI作诗(附源码)

前言

使用RNN生成古诗，你给它输入一堆古诗词，它会学着生成和前面相关联的字词。如果你给它输入一堆姓名，它会学着生成姓名；给它输入一堆古典乐/歌词，它会学着生成古典乐/歌词，让电脑可以向人一样做诗。

原理

了解RNN

循环神经网络主要应用于序列数据的处理，因输入与输出数据之间有时间上的关联性，所以在常规神经网络的基础上，加上了时间维度上的关联性，也就是有了循环神经网络。因此对于循环神经网络而言，它能够记录很长时间的历史信息，即使在某一时刻有相同的输入，但由于历史信息不同，也会得到不同的输出，这也是循环神经网络相比于常规网络的不同之处。根据输入与输出之间的对应关系，可以将循环神经网络分为以下五大类别：

古诗生成RNN

基于字符集的文本生成原理可以这样简单理解：

1. 将一个长文本序列依次输入到循环神经网络
2. 对于给定前缀序列的序列数据，对序列中将要出现的下一个字符的概率分布建立模型
3. 这样就可以每次产生一个新的字符

训练过程

前面我们介绍过 RNN 的输入和输出存在多种关系，比如一对多，多对多等等，不同的输入对应着不同的应用，比如多对多可以用来做机器翻译等等，今天我们要讲的 Char RNN 在训练网络的时候是一个相同长度的多对多类型，也就是输入一个序列，输出一个吸纳共同长度的序列。

具体的网络训练过程如下：

生成文本：
首先需要输入网络一段初始的序列进行预热，预热的过程并不需要实际的输出结果，只是为了生成拥有记忆效果的隐藏状态，并将隐藏状态保留下来，接着我们开始正式生成文本，不断地生成新的句子，这个过程是可以无限循环下去，或者到达我们的要求输出长度，具体可以看看下面

代码解析

目录结构

文本预处理

把文本文件进行字符编码并且建立数据集。

class TextConverter(object):
    def __init__(self, text_path, max_vocab=5000):
        with codecs.open(text_path, mode='r', encoding='utf-8') as f:
            text_file = f.readlines()
        word_list = [v for s in text_file for v in s]
        vocab = set(word_list)
        # 如果单词超过最长限制，则按单词出现频率去掉最小的部分
        vocab_count = {}
        for word in vocab:
            vocab_count[word] = 0
        for word in word_list:
            vocab_count[word] += 1
        vocab_count_list = []
        for word in vocab_count:
            vocab_count_list.append((word, vocab_count[word]))
        vocab_count_list.sort(key=lambda x: x[1], reverse=True)
        if len(vocab_count_list) > max_vocab:
            vocab_count_list = vocab_count_list[:max_vocab]
        vocab = [x[0] for x in vocab_count_list]
        self.vocab = vocab

        self.word_to_int_table = {c: i for i, c in enumerate(self.vocab)}
        self.int_to_word_table = dict(enumerate(self.vocab))

    @property
    def vocab_size(self):
        return len(self.vocab) + 1

    def word_to_int(self, word):
        if word in self.word_to_int_table:
            return self.word_to_int_table[word]
        else:
            return len(self.vocab)

    def int_to_word(self, index):
        if index == len(self.vocab):
            return '<unk>'
        elif index < len(self.vocab):
            return self.int_to_word_table[index]
        else:
            raise Exception('Unknow index!')

    def text_to_arr(self, text):
        arr = []
        for word in text:
            arr.append(self.word_to_int(word))
        return np.array(arr)

    def arr_to_text(self, arr):
        words = []
        for index in arr:
            words.append(self.int_to_word(index))
        return "".join(words)

模型结构

class CharRNN(g.Block):
    def __init__(self, num_classes, embed_dim, hidden_size, num_layers,
                 dropout):
        super(CharRNN, self).__init__()
        self.num_layers = num_layers
        self.hidden_size = hidden_size

        with self.name_scope():
            self.word_to_vec = g.nn.Embedding(num_classes, embed_dim)
            self.rnn = g.rnn.GRU(hidden_size, num_layers, dropout=dropout)
            self.proj = g.nn.Dense(num_classes)

    def forward(self, x, hs=None):
        batch = x.shape[0]
        if hs is None:
            hs = nd.zeros(
                (self.num_layers, batch, self.hidden_size), ctx=mx.gpu())
        word_embed = self.word_to_vec(x)  # batch x len x embed
        word_embed = word_embed.transpose((1, 0, 2))  # len x batch x embed
        out, h0 = self.rnn(word_embed, hs)  # len x batch x hidden
        le, mb, hd = out.shape
        out = out.reshape((le * mb, hd))
        out = self.proj(out)
        out = out.reshape((le, mb, -1))
        out = out.transpose((1, 0, 2))  # batch x len x hidden
        return out.reshape((-1, out.shape[2])), h0

测试

成功训练之后，用parse传入‘test’命令开始让电脑作诗。

def sample(ctx, model, checkpoint, convert, arr_to_text, prime, text_len=20):
    '''
    将载入好权重的模型读入，指定开始字符和长度进行生成，将生成的结果保存到txt文件中
    checkpoint: 载入的模型
    convert: 文本和下标转换
    prime: 起始文本
    text_len: 生成文本长度
    '''
    model.load_params(checkpoint, ctx=ctx)
    samples = [convert(c) for c in prime]
    input_txt = nd.array(samples).reshape((-1 ,1)).as_in_context(ctx)
    embed = model[0](input_txt)
    hs = nd.zeros(model[1].state_info(1)[0]['shape'], ctx=ctx)
    _, init_state = model[1](embed, hs)

    result = samples
    model_input = input_txt[:, input_txt.shape[1] - 1].reshape((-1, 1))
    for i in range(text_len):
        # out是输出的字符，大小为1 x vocab
        # init_state是RNN传递的hidden state
        with mx.autograd.predict_mode():
            embed = model[0](model_input)
            out, init_state = model[1](embed, init_state)
            out = model[2](out)
        pred = pick_top_n(out)
        model_input = nd.array(pred).reshape((-1, 1)).as_in_context(ctx)
        result.append(pred[0])
    return arr_to_text(result)

效果

用古诗作为训练集，输入字符“我”，得到下面的结果：

总结

源码点这，本本环境使用的pytorch1.1，其他版应该也是兼容的。

常规网络中的输入与输出大多是向量与向量之间的关联，不考虑时间上的联系，而在循环神经网络中，输入与输出之间大多是序列与序列(Sequence-to-Sequence.)之间的联系，也就产生了多种模式。

1. 一对一（one to one）：最为简单的反向传播网络。
2. 一对多（one to many）：可用于图像捕捉（image captioning），将图像转换为文字。
3. 多对一（many to one）：常用于情感分析（sentiment analysis），将一句话中归为具体的情感类别。
4. 多对多（ many to many）：常用于输入输出序列长度不确定时，例如机器翻译（machine translate），实质是两个神经网络的叠加。不确定长度的多对多（many to many）（最右方）：常用于语音识别（speech recognition）中，输入与输出序列等长。

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