Python结合Word2Vec的循环神经网络模型对电影评论进行文本分类

以你之姓@ 2023-10-15 13:01 6阅读 0赞

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### 一、实验总览 ###

IMDB 数据集包含了 50000 条电影评论和它们对应的情感标签（积极或消极），在本实验中，我们的任务是训练出一个结合 Word2Vec 的循环神经网络模型，对电影评论进行文本分类。

**算法的流程**包括以下步骤：

1.  **数据预处理部分**
    
    1.  **文本清洗**：操作包括删除乱码、标点、Html标签、数字等与文本情感无关的噪音。
    2.  **文本预处理**：操作包括统一字母的大小写，进行词形还原，删除停用词和进行拼写校对。
    3.  **创建Word2Vec字典**：统计数据集出现的词汇，筛除少见词，对词语进行编号，并通过Word2Vec模型计算出对应的词向量。
2.  **模型验证部分**
    
    1.  对删除少见词时引入的超参数 Min\_times 进行验证。
    2.  我们给出了 10 个不同规模的网络，通过在验证集上验证，我们为每一个网络选出合适的 Epoch，避免模型过拟合，并效选出效果最为出色的网络模型。
3.  **模型测试部分**：使用测试集数据测试模型的效果。

**运行环境**：Cuda。神经网络代码基于 Pytorch 库。

**项目文件说明**：

*  `/Image` 文件夹，保存所有可视化结果
 *  `/Model` 文件夹，保存训练好的模型参数
 *  `data_utils.py` 数据预处理封装代码
 *  `visual_utils.py` 数据可视化封装代码
 *  `model.py` 神经网络模型代码
 *  `val.py` 验证代码
 *  `test.py` 测试代码
 *  `output_val.txt` 验证程序输出结果
 *  `output_test.py` 测试程序输出结果

注：由于 IMDB 数据集比较大，所有中间处理结果文件（包括文本清洗后的文件、Word2Vec编码文件）并没有提交，但可以通过代码重新生成这些文件。

### 二、数据预处理 ###

#### 2.1 文本清洗 ####

文本清洗的内容包括：

*  限定编码方式为 ASCII ，删除乱码、中文、Emoji 等；
 *  删除 Html 标签和 换行标签`<br />`，Html 标签考虑：`<...>` 和 `<\...>` 两种格式；
 *  删除 @ 指定，例如 @ZhangSan，显然 @ 他人不包含情绪信息；
 *  删除 \# 标签，例如 \#Movie；
 *  删除 URL，考虑以 `https://` 和 `www.` 开头的 URL；
 *  删除缩写，例如删除 `you're` 保留 `you`，`I'll` 保留 `I；`
 *  删除标点符号；
 *  删除数字，和删除标点符号做到删除日期、时间；
 *  删除开头、结尾的空格和中间连续的空格。

文本清洗实现：`data_utils.py` 的 `data_clean(s)` 函数

文本清洗举例：

from data_utils import data_clean
    s = "Hello, 你好 @China, Today is 2022.5.19, it's a nice day  #HelloMorning !!!!    "
    print(data_clean(s))

*  输入："Hello, 你好 @China, Today is 2022.5.19, it’s a nice day \#HelloMorning !!! "
 *  输出：“Hello Today is it a nice day”

#### 2.2 文本预处理 ####

文本预处理的内容包括：

*  统一字母大小写
 *  拼写校对：基于 TextBlob 库的 `correct` 函数，耗时较长
 *  词形还原：例如将动词的过去式和过去分析替换为动词一般时态
 *  删除停用词：基于 nltk 库的停用词集合，通过`nltk.download('stopwords')` 下载

文本预处理实现：`data_utils.py` 的 `data_preprocess(s, spell_check=True, lemmatization=True, del_stopwords=True)` 函数

*  其中 `spell_check`，`lemmatization`，`del_stopwords` 是可选参数，即拼写校对、词形还原、停用词删除都是可选选项。

文本预处理举例：

from data_utils import data_clean, data_preprocess
    s = "Hello, 你好 @China, Today is 2022.5.19, it's a nice day  #HelloMorning !!!! I did nothing last day, and cats are so cutee!"
    print(data_preprocess(data_clean(s)))

*  输入：“Hello, 你好 @China, Today is 2022.5.19, it’s a nice day \#HelloMorning !!! I did nothing last day, and cats are so cutee!”
 *  输出：\[‘hello’, ‘today’, ‘nice’, ‘day’, ‘nothing’, ‘last’, ‘day’, ‘cat’, ‘cut’\]，这里删除了停用词 `is`、`it`、`a`、`so` 等，将`cats`变为了单数、`cutee`改成了`cut`。

#### 2.2 Word2Vec ####

Word2Vec采用`gensim.models`库的`Word2Vec`跟据数据集文本生成词向量，并将生成的词向量按找每一个词的索引依次拼接在一起，组成一个矩阵保存在文件中，该矩阵可以用来直接替换循环神经网络中的 Embedding 层，也可以作为 Embedding 层参数的初始化，训练时进行梯度计算。

实现于`data_utils.py`的`word2vec_imdb(src_file=None, tar_file=None, min_times=50, vec_size=100)`函数，可以指定词向量的长度`vec_size`，和少用词剔除的参数`min_times`，生成结果保存在`tar_file`文件中。

生成结果举例：

源文本：

s = “one”

生成的词向量（vec\_size=150, min\_times=150）:

[-1.921392560005188,2.9480791091918945,1.182746171951294,-1.9803478717803955,-1.2230794429779053,...,-0.795309841632843]

### 三、模型训练 ###

#### 3.1 Min\_times 超参测试 ####

我们在预处理时对单词进行了少见词剔除，即单词在数据集中出现次数少于 Min\_times 的单词被剔除，以除去错别字、西语等非英语单词。为了找到较为合适的 Min\_times 值，我们选择 5， 10， 30， 50 进行测试，测试基于 Embedding Size = 100，Hidden Size = 200 的 RNN 网络。

测试结果如下图所示，实验表明在 Min\_times = 10 时训练效果最好。输出结果储存在`_output.py`中。

![在这里插入图片描述][6ee2f4d3408a47eb9b179514968048fa.jpeg_pic_center]

#### 3.2 网络结构设计 ####

网络结构如下：

Model(
      (Embedding): 嵌入层，用词向量矩阵填充，大小为[max_word, emb_size]
      (RNN/LSTM/GRU)：循环神经层，大小为[emb_size, hid_size]
      (avg_pool)：平均池化层
      (fc2): 全连接层，大小为[hid_size, 2]
    )

梯度计算采用：Adam 方法；Batch Size：256；Epochs：20。

为了对比不同模型的效果，给出以下一共十个网络进行验证测试。其中，我们在 RNN 1、LSTM 1、GRU 1三个网络中不对 Embedding 层进行梯度计算，即固定该层的值为 Word2Vec 矩阵，其他网络则对 Embedding 曾进行梯度计算。验证网络分为两种规模：Emb\_size，Hid\_size 为 \[150, 300\] 和 \[300, 500\]。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>模型</th> 
   <th>Embedding Size</th> 
   <th>Hidden Size</th> 
   <th>Grad For Embedding</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><strong>RNN 1</strong></td> 
   <td>150</td> 
   <td>300</td> 
   <td>False</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>RNN 2</strong></td> 
   <td>150</td> 
   <td>300</td> 
   <td>True</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>RNN 3</strong></td> 
   <td>300</td> 
   <td>500</td> 
   <td>True</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>LSTM 1</strong></td> 
   <td>150</td> 
   <td>300</td> 
   <td>False</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>LSTM 2</strong></td> 
   <td>150</td> 
   <td>300</td> 
   <td>True</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>LSTM 3</strong></td> 
   <td>300</td> 
   <td>500</td> 
   <td>True</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>BiLSTM</strong></td> 
   <td>300</td> 
   <td>300</td> 
   <td>True</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>GRU 1</strong></td> 
   <td>150</td> 
   <td>300</td> 
   <td>False</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>GRU 2</strong></td> 
   <td>300</td> 
   <td>300</td> 
   <td>True</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>GRU 3</strong></td> 
   <td>300</td> 
   <td>500</td> 
   <td>True</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 3.3 网络训练结果 ####

在实验时我们发现使用Word2Vec模型来初始化Embedding层能够明显加快收敛速度。

我们选用数据集前三万条作为训练集，再选择第三万到四万条作为验证集，得到的训练结果如下；输出结果储存在`_output.py`中。

注：下表 Train Acc 值 Val Acc 取得最高时的 Train Acc

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>模型</th> 
   <th>Train Acc</th> 
   <th>Best Val Acc</th> 
   <th>Best Epoch</th> 
   <th>Train Time Per Epoch</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><strong>RNN 1</strong></td> 
   <td>0.8556</td> 
   <td>0.8494</td> 
   <td>6</td> 
   <td>12.47秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>RNN 2</strong></td> 
   <td>0.9140</td> 
   <td><strong>0.8772</strong></td> 
   <td>4</td> 
   <td>12.53秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>RNN 3</strong></td> 
   <td>0.8852</td> 
   <td>0.8618</td> 
   <td>2</td> 
   <td>22.45秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>LSTM 1</strong></td> 
   <td>0.9463</td> 
   <td>0.8848</td> 
   <td>4</td> 
   <td>40.82秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>LSTM 2</strong></td> 
   <td>0.9448</td> 
   <td>0.8888</td> 
   <td>4</td> 
   <td>42.16秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>LSTM 3</strong></td> 
   <td>0.9754</td> 
   <td><strong>0.8963</strong></td> 
   <td>5</td> 
   <td>91.30秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>BiLSTM</strong></td> 
   <td>0.9884</td> 
   <td>0.8830</td> 
   <td>7</td> 
   <td>48.10秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>GRU 1</strong></td> 
   <td>0.8957</td> 
   <td>0.8861</td> 
   <td>6</td> 
   <td>20.85秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>GRU 2</strong></td> 
   <td>0.9247</td> 
   <td>0.8957</td> 
   <td>3</td> 
   <td>21.29秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>GRU 3</strong></td> 
   <td>0.9784</td> 
   <td><strong>0.8975</strong></td> 
   <td>4</td> 
   <td>50.23秒</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>RNN 1 (20 Epochs)</th> 
   <th>RNN 2 (20 Epochs)</th> 
   <th>RNN 3 (20 Epochs)</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Acc</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/b86ae47f528c42c193ba8403babc0c8e.jpeg#pic_center" alt="在这里插入图片描述"></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/df66e23c252f42a4b3430ec6f0c5b234.jpeg#pic_center" alt="在这里插入图片描述"></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/6dd83bb2369d47669cfb3be5f6ee2df0.jpeg#pic_center" alt="在这里插入图片描述"></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/0514f990db864c9e97f3a09635235456.jpeg#pic_center" alt="在这里插入图片描述"></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/17035238f0554be4ab0d2db698b02876.jpeg#pic_center" alt="在这里插入图片描述"></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/53032ba0b17f4c74900700002040daba.jpeg#pic_center" alt="在这里插入图片描述"></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>LSTM 1 (15 Epochs)</th> 
   <th>LSTM 2 (10 Epochs)</th> 
   <th>LSTM 3 (10 Epochs)</th> 
   <th>BiLSTM (10 Epochs)</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Acc</td> 
   <td></td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/cad70f40a8bcb59a10812c4831f89c84.png" alt=""></td> 
   <td><img src="https://img-home.csdnimg.cn/images/20230724024159.png?origin_url=https%3A%2F%2Fwww.writebug.com%2Fmyres%2Fstatic%2Fuploads%2F2022%2F9%2F8%2F42d2badead12357f2817963776c99e37.writebug&amp;pos_id=img-ja56jecj-1693357390295" alt="外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传"></td> 
   <td><img src="https://img-home.csdnimg.cn/images/20230724024159.png?origin_url=https%3A%2F%2Fwww.writebug.com%2Fmyres%2Fstatic%2Fuploads%2F2022%2F9%2F8%2Faf210912f5c75c97d6e54c6ff1b450d3.writebug&amp;pos_id=img-1qqkNGNM-1693357390295" alt="外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Loss</td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c06927f2c97df3fb0c83d6131947db59.png" alt=""></td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/de8827c7dbc015104799a7f56a811663.png" alt=""></td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c83476b92d81872abd6a3bac6887247b.png" alt=""></td> 
   <td><img src="https://img-home.csdnimg.cn/images/20230724024159.png?origin_url=https%3A%2F%2Fwww.writebug.com%2Fmyres%2Fstatic%2Fuploads%2F2022%2F9%2F8%2F5d064c490790bebd34487ba730c8b19f.writebug&amp;pos_id=img-4yErbFmH-1693357390297" alt="外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>GRU 1 (10 Epochs)</th> 
   <th>GRU 2 (10 Epochs)</th> 
   <th>GRU 3 (10 Epochs)</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Acc</td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/15e2401da1c022f9204f98560abd77a6.png" alt=""></td> 
   <td><img src="https://img-home.csdnimg.cn/images/20230724024159.png?origin_url=https%3A%2F%2Fwww.writebug.com%2Fmyres%2Fstatic%2Fuploads%2F2022%2F9%2F8%2F88a1763f0a6e7a96842c2c7315ac1631.writebug&amp;pos_id=img-4AStbfox-1693357390297" alt="外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传"></td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/505153735038006c4a68945233d067a7.png" alt=""></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Loss</td> 
   <td><img src="https://img-home.csdnimg.cn/images/20230724024159.png?origin_url=https%3A%2F%2Fwww.writebug.com%2Fmyres%2Fstatic%2Fuploads%2F2022%2F9%2F8%2F06f168d48507c5b02c949fd45f90f777.writebug&amp;pos_id=img-n5QXYzWY-1693357390298" alt="外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传"></td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/8377095c5d7fe24f8e3e67139f43032f.png" alt=""></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

通过观察上述十个网络的损失函数和准确率变化，我们得到以下结论：

1.  对 Embedding 层进行梯度计算的效果优于直接用 Word2Vec 固定 Embedding 层，且多出的时间开销可接受。
2.  对于参数同规模的三种类型网络，耗时最高的是 LSTM，其次是 GRU，RNN 计算最快。
3.  RNN 的最佳准确率在 88% 以下，而LSTM 和 GRU 能够高于 88%，但都低于 90%
4.  RNN 在训练过程中表现出不稳定，容易产生较大的波动，导致准确率突降。
5.  对比 RNN2、RNN3，发现模型越大效果不一定越好。RNN2b 的参数虽然只是 \[Emb size:150, Hid: 300\]，但训练结果优于 RNN3（\[Emb size:300, Hid: 500\]），并且在时间上快出一倍。
6.  相比于 RNN， LSTM 和 GRU 能够更快地达到收敛、过拟合，经过 20 个 Epoch 的训练，LSTM 和 GRU 能几乎完全拟合训练集，达到近 100% 的准确率，但在第 3 - 5 个 Epoch 已经开始出现过拟合。

### 四、实验结果分析 ###

跟据验证集结果调整超参，最后在 RNN / LSTM / GRU 中选出三个性能较好的网络，将数据集的第 40000 - 50000 个样本作为测试集，在测试集上进行测试，结果如下表所示。输出结果储存在`_output_test.py`中。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>模型</th> 
   <th>Embedding Size</th> 
   <th>Hidden Size</th> 
   <th>Grad For Embedding</th> 
   <th>Test Acc</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><strong>RNN 2</strong></td> 
   <td>150</td> 
   <td>300</td> 
   <td>True</td> 
   <td><strong>0.8817</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>LSTM 3</strong></td> 
   <td>300</td> 
   <td>500</td> 
   <td>True</td> 
   <td><strong>0.9017</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>GRU 3</strong></td> 
   <td>300</td> 
   <td>500</td> 
   <td>True</td> 
   <td><strong>0.8988</strong></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 五、实验总结 ###

本次实验围绕 IMDB 数据集情感分类问题，我们掌握并实现了文本数据集的数据清洗方法和文本预处理策略，结合 Word2Vec 模型和循环神经网络训练出几个分类模型，初步体验神经网络训练、验证和测试过程。实验最后选取三个不同类型（RNN、LSTM、GRU）、不同规模的网络，分别能达到 88.17%、90.17%、89.88% 的正确率。

| **0.8988** |

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