CRF和LSTM 模型在序列标注上的优劣?

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两者各有优缺点:


LSTM:像RNN、LSTM、BILSTM这些模型,它们在序列建模上很强大,它们能够capture长远的上下文信息,此外还具备神经网络拟合非线性的能力,这些都是crf无法超越的地方,对于t时刻来说,输出层y_t受到隐层h_t(包含上下文信息)和输入层x_t(当前的输入)的影响,但是y_t和其他时刻的y_t`是相互独立的,感觉像是一种point wise,对当前t时刻来说,我们希望找到一个概率最大的y_t,但其他时刻的y_t`对当前y_t没有影响,如果y_t之间存在较强的依赖关系的话(例如,形容词后面一般接名词,存在一定的约束),LSTM无法对这些约束进行建模,LSTM模型的性能将受到限制。


CRF:它不像LSTM等模型,能够考虑长远的上下文信息,它更多考虑的是整个句子的局部特征的线性加权组合(通过特征模版去扫描整个句子)。关键的一点是,CRF的模型为p(y | x, w),注意这里y和x都是序列,它有点像list wise,优化的是一个序列y = (y1, y2, …, yn),而不是某个时刻的y_t,即找到一个概率最高的序列y = (y1, y2, …, yn)使得p(y1, y2, …, yn| x, w)最高,它计算的是一种联合概率,优化的是整个序列(最终目标),而不是将每个时刻的最优拼接起来,在这一点上CRF要优于LSTM。


HMM:CRF不管是在实践还是理论上都要优于HMM,HMM模型的参数主要是“初始的状态分布”,“状态之间的概率转移矩阵”,“状态到观测的概率转移矩阵”,这些信息在CRF中都可以有,例如:在特征模版中考虑h(y1), f(y_i-1, y_i), g(y_i, x_i)等特征。


CRF与LSTM:从数据规模来说,在数据规模较小时,CRF的试验效果要略优于BILSTM,当数据规模较大时,BILSTM的效果应该会超过CRF。从场景来说,如果需要识别的任务不需要太依赖长久的信息,此时RNN等模型只会增加额外的复杂度,此时可以考虑类似科大讯飞FSMN(一种基于窗口考虑上下文信息的“前馈”网络)。


CNN+BILSTM+CRF:这是目前学术界比较流行的做法,BILSTM+CRF是为了结合以上两个模型的优点,CNN主要是处理英文的情况,英文单词是由更细粒度的字母组成,这些字母潜藏着一些特征(例如:前缀后缀特征),通过CNN的卷积操作提取这些特征,在中文中可能并不适用(中文单字无法分解,除非是基于分词后),这里简单举一个例子,例如词性标注场景,单词football与basketball被标为名词的概率较高, 这里后缀ball就是类似这种特征。


BILSTM+CRF的Tensorflow版本:github.com/chilynn/sequ,主要参考了GitHub - glample/tagger: Named Entity Recognition Tool的实现,tagger是基于theano实现的,每一轮的参数更新是基于一个样本的sgd,训练速度比较慢。sequence-labeling是基于tensorflow实现的,将sgd改成mini-batch sgd,由于batch中每个样本的长度不一,训练前需要padding,最后的loss是通过mask进行计算(根据每个样本的真实长度进行计算)。

参考论文:

arxiv.org/pdf/1603.0136

arxiv.org/pdf/1603.0135

arxiv.org/pdf/1508.0199