自然语言处理之LSTM+CRF序列标注

前言

序列标注是对输入序列中的每个标记进行标注标签的过程，常用于信息抽取任务，如分词、词性标注和命名实体识别。其中，命名实体识别是其中的一种任务。

输入序列	清	华	大	学	座	落	于	首	都	北	京
输出标注	B	I	I	I	O	O	O	O	O	B	I

条件随机场

序列标注需要考虑相邻Token之间的关联关系，而条件随机场是一种适合解决这种问题的概率图模型。文章详细介绍了条件随机场的定义和参数化形式，以及计算输出序列概率的公式和发射概率函数、转移概率函数的定义。

Score计算

根据一个公式计算正确标签序列对应的得分，需要注意维护两个向量作为序列开始和结束时的转移概率，并引入一个掩码矩阵来忽略填充值，使得得分计算只包含有效的Token。

Normalizer计算

使用动态规划算法来计算Normalizer的方法，通过复用计算结果来提高效率。假设需要计算从第0至第𝑖个Token所有可能的输出序列得分Score𝑖，则可以先计算出从第0至第𝑖−1个Token所有可能的输出序列得分Score𝑖−1。

Viterbi算法

完成前向训练后，需要实现解码部分，选择Viterbi算法求解序列最优路径。通过动态规划求解所有可能的预测序列得分，并同时保存每个Token对应的最大概率得分和标签历史。根据Viterbi算法的公式，逆序求解每一个概率最大的标签，构成最佳的预测序列。由于静态图语法限制，Viterbi算法部分将作为后处理函数，不纳入后续CRF层的实现。

CRF层

关于如何组装完整的CRF（条件随机场）层的。在组装过程中需要考虑输入序列可能存在Padding的情况，因此除发射矩阵和标签外，加入了 seq_length 参数传入序列Padding前的长度，并实现了生成mask矩阵的 sequence_mask 方法。最后使用 nn.Cell 进行封装，实现完整的CRF层。

总结

主要介绍使用MindSpore实现序列标注任务的条件随机场(CRF)模型。从公式推导到具体代码实现,详细介绍了CRF层的前向训练部分、动态规划求解Normalizer、Viterbi算法寻找最优路径等关键步骤。最后构建了一个BiLSTM+CRF模型进行命名实体识别任务的训练和预测,并展示了训练及预测结果。