RNN 是如何用时序输入 rnn 时间序列

作者 | 李秋键

自然语言处理作为人工智能的一个重要分支，在我们的生活中得到了广泛应用。其中RNN算法作为自然语言处理的经典算法之一，是文本生成的重要手段。而今天我们就将利用RNN算法建立一个写歌词的软件。其中的界面如下：

RNN指的是循环神经网络，Recurrent Neural Network。不同于前馈神经网络的是，RNN可以利用它内部的记忆来处理任意时序的输入序列，这让它可以更容易处理如不分段的手写识别、语音识别等。

RNN模型有比较多的变种，这里介绍最主流的RNN模型结构如下：

上图中左边是RNN模型没有按时间展开的图，如果按时间序列展开，则是上图中的右边部分。我们重点观察右边部分的图。

这幅图描述了在序列索引号tt附近RNN的模型。其中：

1. x(t)x(t)代表在序列索引号tt时训练样本的输入。同样的，x(t−1)x(t−1)和x(t+1)x(t+1)代表在序列索引号t−1t−1和t+1t+1时训练样本的输入。
2. h(t)h(t)代表在序列索引号tt时模型的隐藏状态。h(t)h(t)由x(t)x(t)和h(t−1)h(t−1)共同决定。
3. o(t)o(t)代表在序列索引号tt时模型的输出。o(t)o(t)只由模型当前的隐藏状态h(t)h(t)决定。
4. L(t)L(t)代表在序列索引号tt时模型的损失函数。
5. y(t)y(t)代表在序列索引号tt时训练样本序列的真实输出。
6. U,W,VU,W,V这三个矩阵是我们的模型的线性关系参数，它在整个RNN网络中是共享的，这点和DNN很不相同。也正因为是共享了，它体现了RNN的模型的“循环反馈”的思想。

基于以上认知，我们开始搭建我们的软件。

实验前的准备

首先我们使用的python版本是3.6.5所用到的库有TensorFlow，是用来训练和加载神经网络常见的框架，常常用于数值计算的开源软件库。节点表示数学操作，线则表示在节点间相互联系的多维数据数组，即张量(tensor)；tkinter用来绘制GUI界面的库；

Pillow库在此项目中用来处理图片和字体等问题。因为我们的软件不是空白背景的。需要借助Image函数添加背景。

RNN算法搭建

1、数据集处理和准备：

我们训练的数据集使用各种歌手的歌词本作为训练集。其中数据集放在date.txt里，其中部分数据集如下：

2、模型的训练：

模型训练的代码直接运行train.py即可训练。其中流程如下：

1. 首先要读取数据集
2. 设定训练批次、步数等等
3. 数据载入RNN进行训练即可

其中代码如下：

def train:
filename = 'date.txt'
with open(filename, 'r', encoding='utf-8') as f:
text = f.read
reader = TxtReader(text=text, maxVocab=3500)
reader.save('voc.data')
array = reader.text2array(text)
generator = GetBatch(array, n_seqs=100, n_steps=100)
model = CharRNN(
numClasses = reader.vocabLen,
mode ='train',
numSeqs = 100,
numSteps = 100,
lstmSize = 128,
numLayers = 2,
lr = 0.001,
Trainprob = 0.5,
useEmbedding = True,
numEmbedding = 128
)
model.train(
generator,
logStep = 10,
saveStep = 1000,
maxStep = 100000
)

3、RNN网络搭建：

RNN算法的搭建，我们定义整个神经网络类，然后分别定义初始化、输入、神经元定义等函数。损失函数和优化器使用均方差和AdamOptimizer优化器即可。

部分代码如下：

# 创建输入
def buildInputs(self):
numSeqs = self.numSeqs
numSteps = self.numSteps
numClasses = self.numClasses
numEmbedding = self.numEmbedding
useEmbedding = self.useEmbedding
with tf.name_scope('inputs'):
self.inData = tf.placeholder(tf.int32, shape=(numSeqs, numSteps), name='inData')
self.targets = tf.placeholder(tf.int32, shape=(numSeqs, numSteps), name='targets')
self.keepProb = tf.placeholder(tf.float32, name='keepProb')
# 中文
if useEmbedding:
with tf.device("/cpu:0"):
embedding = tf.get_variable('embedding', [numClasses, numEmbedding])
self.lstmInputs = tf.nn.embedding_lookup(embedding, self.inData)
# 英文
else:
self.lstmInputs = tf.one_hot(self.inData, numClasses)
# 创建单个Cell
def buildCell(self, lstmSize, keepProb):
basicCell = tf.nn.rnn_cell.BasicLSTMCell(lstmSize)
drop = tf.nn.rnn_cell.DropoutWrapper(basicCell, output_keep_prob=keepProb)
return drop
# 将单个Cell堆叠多层
def buildLstm(self):
lstmSize = self.lstmSize
numLayers = self.numLayers
keepProb = self.keepProb
numSeqs = self.numSeqs
numClasses = self.numClasses
with tf.name_scope('lstm'):
multiCell = tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell(
[self.buildCell(lstmSize, keepProb) for _ in range(numLayers)]
)
self.initial_state = multiCell.zero_state(numSeqs, tf.float32)
self.lstmOutputs, self.finalState = tf.nn.dynamic_rnn(multiCell, self.lstmInputs, initial_state=self.initial_state)
seqOutputs = tf.concat(self.lstmOutputs, 1)
x = tf.reshape(seqOutputs, [-1, lstmSize])
with tf.variable_scope('softmax'):
softmax_w = tf.Variable(tf.truncated_normal([lstmSize, numClasses], stddev=0.1))
softmax_b = tf.Variable(tf.zeros(numClasses))
self.logits = tf.matmul(x, softmax_w) + softmax_b
self.prediction = tf.nn.softmax(self.logits, name='prediction')
# 计算损失
def buildLoss(self):
numClasses = self.numClasses
with tf.name_scope('loss'):
targets = tf.one_hot(self.targets, numClasses)
targets = tf.reshape(targets, self.logits.get_shape)
loss = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=self.logits, labels=targets)
self.loss = tf.reduce_mean(loss)
# 创建优化器
def buildOptimizer(self):
gradClip = self.gradClip
lr = self.lr
trainVars = tf.trainable_variables
# 限制权重更新
grads, _ = tf.clip_by_global_norm(tf.gradients(self.loss, trainVars), gradClip)
trainOp = tf.train.AdamOptimizer(lr)
self.optimizer = trainOp.apply_gradients(zip(grads, trainVars))
# 训练
def train(self, data, logStep=10, saveStep=1000, savepath='./models/', maxStep=100000):
if not os.path.exists(savepath):
os.mkdir(savepath)
Trainprob = self.Trainprob
self.session = tf.Session
with self.session as sess:
step = 0
sess.run(tf.global_variables_initializer)
state_now = sess.run(self.initial_state)
for x, y in data:
step += 1
feed_dict = {
self.inData: x,
self.targets: y,
self.keepProb: Trainprob,
self.initial_state: state_now
}
loss, state_now, _ = sess.run([self.loss, self.finalState, self.optimizer], feed_dict=feed_dict)
if step % logStep == 0:
print('[INFO]: : {}/{}, loss: {:.4f}'.format(step, maxStep, loss))
if step % saveStep == 0:
self.saver.save(sess, savepath, global_step=step)
if step > maxStep:
self.saver.save(sess, savepath, global_step=step)
break
# 从前N个预测值中选
def GetTopN(self, preds, size, top_n=5):
p = np.squeeze(preds)
p[np.argsort(p)[:-top_n]] = 0
p = p / np.sum(p)
c = np.random.choice(size, 1, p=p)[0]
return c

4、歌词的生成：

设置关键词变量，读取模型文件，输出结果即可。

代码如下：

def main(_):
reader = TxtReader(filename='voc.data')
model = CharRNN(
numClasses = reader.vocabLen,
mode = 'test',
lstmSize = 128,
numLayers = 2,
useEmbedding = True,
numEmbedding = 128
)
checkpoint = tf.train.latest_checkpoint('./models/')
model.load(checkpoint)
key="雪花"
prime = reader.text2array(key)
array = model.test(prime, size=reader.vocabLen, n_samples=300)
print("《"+key+"》")
print(reader.array2text(array))

界面的定义和调用

界面中我们的布局是文本框、编辑框和按钮控件。程序的调用使用批处理文件调用以达到显示运行过程的效果。因为如果没有运行过程，难免会导致用户不清楚程序流程而强制运行容易导致卡死的情况。

其中Bat里直接写入：

python song.py

其中过程效果如下：

1、界面布局：

界面布局使用canvas画布以达到添加背景图片的效果。背景图片设置为1.jpg，按钮背景图片设置为3.jpg。图片也可以自己更换掉。然后文本框作为提示的效果，分别定义字体，大小等等即可

代码如下：

root = tk.Tk
root.title('AI写歌词')
# 背景
canvas = tk.Canvas(root, width=800, height=500, bd=0, highlightthickness=0)
imgpath = '1.jpg'
img = Image.open(imgpath)
photo = ImageTk.PhotoImage(img)
imgpath2 = '3.jpg'
img2 = Image.open(imgpath2)
photo2 = ImageTk.PhotoImage(img2)
canvas.create_image(700, 400, image=photo)
canvas.pack
label=tk.Label(text="请输入关键词：