Text Summarization 综述

ABS 和 ABS+

[Rush, 2015] A Neural Attention Model for Abstractive Sentence Summarization

这篇 facebook 的论文是用神经网络来做生成式摘要的开山之作，后续的论文基本都会引用。而且在 github 上有开源的代码放出来，可以参考 facebook/NAMAS.

模型的主要结构见下图(a)，即左边的那部分，其实本质上就是个 conditional neural network language model，也就是要最大化概率 p(yi+1|x,yc;θ)，这一套框架还是逃不了 Bengio 那篇2003年的经典论文 A Neural Probabilistic Language Model.

图中的 x,y 表示输入/输出的序列， yc 是 yi+1 的前 C 个词（不够就做 padding），可以看做是 yi+1 的上下文信息（context）。θ 泛指模型的参数，如 W,V,U,E 和 enc 网络中的参数。

子网络 enc 是 encoder，要把输入序列 x 和 context 信息融合，(b) 图就是就是其中一种设计，用上了 Attention 的思想。这个后面再细讲。回到 (a) 图上来，ỹ c 是 yc 的词向量表示。具体公式如下，

论文尝试了三种 encoder 的方式，分别是 Bag-of-Words，CNN 和 Attention-Based，公式如下，

其中 BoW 的做法是直接把 x 的词向量叠加，不考虑和 context 信息的融合，最后的效果也比较差一些；Convolutional Encoder 就是标准的卷积和池化操作，其中 Ql 就是第 l 层的卷积核，最上面的 max 操作是沿着时间找个最大的，剩下的维度只是卷积核的个数了，也就是 encoder 网络得到的特征维度大小。Attention-Based Encoder 和之前的 Attention 做法很类似，想要把 x 和 yc 融合起来。F,G 都是词向量矩阵，x¯i 是平滑后的 x̃ i，而 ỹ ′c 则是 yc 的词向量表示。p 相当于 Attention 中的权重 αt，而 enc3(x,yc) 的输出则相当于是 context vector ct.

上面的模型可以简称为 ABS，作者还尝试了与 extractive 的方法结合，就有了 ABS+ 模型。即在每次解码出一个词的时候，不仅考虑神经网络对当前词的预测概率 logp(yi+1|x,yc;θ)，还要开个窗口，去找一找当前窗口内的词是否在原文中出现过，如果有的话，概率会变大。根据窗口的不同大小，就等价于 unigram, bigram 和 trigram 特征。

论文在 DUC-2004 和 Gigawords 上做实验，结果也是 enc1 < enc2 < enc3，而且基本都比之前非 neural-network 的模型效果好。ABS+ 的效果明显好于 ABS，因为这篇论文是个 baseline，具体的实验结果会和后面的论文一起对比，这里略过。

LCSTS, SimpleAttention, TextSum 和 RAS

下面这几个工作简单提一下，

• [Hu, 2015] LCSTS: A large scale Chinese short text summarization dataset
• [Lopyrev, 2015] Generating News Headlines with Recurrent Neural Networks
• [Google, 2015] Sequence-to-Sequence with Attention Model for Text Summarization
• [Chopra, 2016] Abstractive sentence summarization with attentive recurrent neural networks

首先，[Hu 2015] 的贡献在于提出了一个新的中文数据集，LCSTS，该数据集是从新浪微博中爬取过滤得到的，训练集（Part I）有 240w 对数据，验证集（Part II）有 1w，测试集（Part III）有 1k 多一点。而且验证集和测试集用人工标注了正文和标题之间的相关度（relevance），并且从 1-5 打分，分数越高越好。见 Table 1 所示。

此外，论文对该数据集做了一个 baseline，用 GRU 搭建 seq2seq 和 Context（就是Attention） 两个模型，并且用字符（char）和词语（word）分别实验，共四个模型，见 Table 2 的结果。由于结巴分词后的词表必然比单字要大很多，因此有很多 OOV 的词，而且词表大了训练也很慢，预测起来也相对较难，因此还是 Char + RNN context 效果最好。

提一个小的点，就是这篇论文用了标准的 rouge 来评测，但是这个网站我一直登陆不了，不知道 pip 工具 rouge 和 pyrouge 和这个有没有区别，待挖掘。

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[Lopyrev, 2015] 没有什么亮点，就是把 encoder 和 decoder 都拆成两部分，算 Attention 的时候用小的那部分，正常的用大的那部分。一图以蔽之，

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[Google, 2015] 其实不是论文，而是代码，但是挺具有参考意义，包括 Attention，BeamSearch 的实现等等。

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[Chopra, 2016] 这篇说白了就是 CNN-RNN 的 seq2seq 结构，和第一篇论文 [Rush 2015] 是同一个小组（facebook 和 Harvard SEAS）的工作。根据 RNN 用的不同，模型叫做 RAS-Elman 和 RAS-LSTM，代码实现和 [Rush 2015] 放到了一起，见 facebook/NAMAS.

RNNs and Beyond

[Nallapati, 2016] Abstractive Text Summarization using Sequence-to-sequence RNNs and Beyond

这篇论文是 IBM Watson 实验室的工作，针对前面的 baseline 做的改进还挺多的，主要是下面几个方面

1. 引入 Large Vocablary Trick 来解决 decoder 词表过大的问题；
2. 加入传统的 TF-IDF，POS，NER 等特征来尝试抓住句子的关键部分；
3. 引入 Generator-Pointer 来解决 OOV 和低频词的问题；
4. 引入 Hierarchical Attention 来抓住句子的重要性信息；
5. 引入 Temporal Attention 来缓解连续生成重复词的问题；
6. 提出新的数据集 CNN/Daily Mail.

首先引入 LVT，这个 tensorflow 也有实现，参考 tf.nn.sampled_softmax_loss 和原始论文 On Using Very Large Target Vocabulary for Neural Machine Translation. 因此大部分的计算都在 decoder 预测词得分 logits，特别是如果用词级别来编码，词表可以到几万或者几十万的大小，使用 LVT 以后可以缩小一两个数量级，因此很有必要。因为交叉熵只关心正确答案对应词的概率，LVT 的原理大致是用负采样来估计 softmax 的分母，其他的就不用算了，因此可以大大节约计算量和训练时间。实际实验中，作者发现 2k 个负采样就基本够了。

引入语言学特征（linguistic feature）的目的是为了抓住句子中的关键概念和关键实体等，就是说哪些词是这段话想要表达的主体和重点。论文的做法比较简单，抽取了词性标注（POS tagging）、命名实体识别（NER）和 TF-IDF 特征，直接 embedding 后和词向量拼接到一起。这里只是 encoder 做这些工作，decoder 还是只用词向量。注意这里的 TF-IDF 是连续值，需要先离散化才能 embedding 成向量。见下图，

Generator-Pointer 的机制和后面要讲的 Pointing，CopyNet 等都是一个思路。因为摘要的任务特点，很多 OOV 或者不常见的 的词其实可以从输入序列中找到，因此一个很自然的想法就是去预测一个开关（switch）的概率 P(si=1)=f(hi,yi−1,ci)，如果开关打开了，就是正常地预测词表；如果开关关上了，就需要去原文中指向一个位置作为输出。在训练的过程中，这个 P(st) 是有监督地给出，假设给出的 pointer label 叫做 gi。见下面的 loss，

logP(y|x)=∑i(gilog{P(yi|y−i,x)P(si)}+(1−gi)logP(p(i)|y−i,x)(1−P(si)))

上面的损失函数比较长，但是逻辑还是比较清晰的，大概是 ∑i(gilogA+(1−gi)logB) 这种交叉熵的形式。也就是说，当 gi=0 是，模型是拷贝，从原文里指向某个位置 p(i)，具体是直接复用 Attention 的概率分布 Pai(j)，就是在第 i 时刻指向原文第 j 个位置的概率；当 gi=1 时，则是生成概率，直接像原来那样算词表的概率就好了。见下图，

受 A hierarchical neural autoencoder for paragraphs and documents 的启发，引入 Hierarchical Attention 的引入来处理原文太长的问题，如果原文的句子很多，其实大部分的句子都是没有必要去看的，不过处理不了太长文本，根本原因还是 LSTM 不能完全避免梯度消失，毕竟 memory cell 的大小也是有限制的。Hierarchical Attention 是尝试给每个句子一个权重，有点抽取式摘要的意思。论文用了两个双向的 LSTM 分别用于 word-level 和 sentence-level 的特征提取。而最后的 Attention 是 word-leval Attention Paw(j) 乘上 sentence-level Attention Pas(j)，如下面的公式，

Pa(j)=Paw(j)Pas(s(j))∑Ndk=1Paw(k)Pas(s(k))

其中 Pa(j) 是重新调整过的 Attention 权重，s(j) 是第 j 个词对应的句子 ID，Nd 是输入文本中词的个数。值得一提的是，在 sentence-leval RNN 中，额外加入了句子的位置 embedding 信息，因为比较靠前或者结尾的句子可能一般会有总结的信息。

Temporal Attention 的是来源于论文 Temporal Attention Model for Neural Machine Translation，做法也很简单，即拿未归一化的 Attention 权重 α′t 除以之前积累的权重 βt，如下，

βt=∑k=1t−1α′k;αt∝a′tβt

实验部分是在 DUC-2004，Gigawords 上做的，后来自己又提了一个 CNN/Daily Mail，只能和自己对比。在 DUC-2004 上的效果和 RAS-Elman 差不多，但是 Gigawords 上因为句子比较长，所以更能体现模型的优势，效果也是提升很大。见下图 Gigawords 的结果，

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LenEmb

[Kikuchi 2016] Controling Output Length in Neural Encoder-Decoders

这篇论文挺有意思，论文构建了四种控制 seq2seq 中生成句子的长度，而且在 Text Summarization 上做了实验，结果并没有太多的损失。

前两种方法叫做 fixLen 和 fixRng 模型，都是没有改之前训练的模型，只是在测试集上解码的时候，做了点改动。fixLen 是说，在到达给定长度之前为了防止句子提前结束，替换 EOS 的概率为 0（分数为 -∞），到达固定长度，强行替换 EOS。fixRng，也是训练不变，只改 decoder。给定一个长度范围，在 beam search 解码时，如果生成的句子小于最小长度，直接丢弃掉；如果大于最大长度，直接像上面一样强行替换 EOS，再加入 beam search 的候选集。这个方法的 beam size 要设置稍大一点，论文里用 30

后两种方法叫做 LenEmb 和 LenInit，都是把目标序列的长度编码到模型中去。LenEmb 是直接把生成的标题的剩余长度嵌入到模型中，即 LSTM Decoder input 会多一个 lt，且每次都根据生成词的长度 byte(yt) 来更新 lt，见下图的更新公式，

LenInit 也是把长度加到模型里去，但是只是拿来初始化 decoder，具体是用 encoder hidden state h←1 来初始化 decoder LSTM hidden state s0，用 bc∗length 来初始化 decoder LSTM memory cell m0，很神奇，竟然效果最好。这种方法的想实现的效果是，让模型的 memory state 自己控制长度，以便生成的句子更通顺和合理。

在 DUC-2004 和 Gigawords 上做了实验，后两个模型的效果明显好于前两个，但是只比 ABS 的结果好一点点，其他的模型效果都好用本篇。但是本篇论文的创新点在于能够控制生成的句子长度，而下图中的实验结果基本可以看出是符合预期的。

Read-Again

[Zeng 2016] Efficient summarization with read-again and copy mechanism

这篇论文的创新点在于提出了 Read Again 的 encoder 机制。论文的出发点是说，RNN 在编码某个词的时候，只是考虑之前所有词的情况，并不是完整的 context 信息，而双向的 RNN 得到的信息又没有做融合。因此一个朴素的想法是，先用一个 RNN 看一遍全文，得到一个全局的信息，接着再去重新读一遍原文。

具体的，提出了基于 GRU，LSTM 和 Multiple SentenceS 的三个模型。LSTM Read Again 比较简单，假如 h1i,h2i 分别第 i 时刻的第一个和第二个 LSTM hidden state，那么有

h1ih2i=LSTM1(xi,h1i−1)=LSTM2([xi,h1i,h1n],h2i−1)

因此，第二个 LSTM 在给每个词编码的时候，就有了一个全局的信息 h1n，得到的语义向量就比较合理。

GRU 设计的就复杂一点，假设第一个 GRU 为 h1i=GRU1(xi,h1i−1)，那么还要先预测一个权重 αi=tanh(Weh1i+Ueh1n+Vexi) 来表示当前词的重要程度。第二个 GRU 更新的时候，就是

h2i=(1−αi)⊙h2i−1+αi⊙GRU2(xi,h2i−1)

从上面的公式可知，当 αi 很小时，基本就是忽略当前词 h2i−1 和 h2i 差不多。如果 αi 很大（最大是 1），那么基本是从 GRU2 的结果。熟悉 GRU 公式就可以发现上面的 αi 和 GRU 的 update gate 有点像，可以把上面的公式继续展开化简，这里省去不表。

[思考，上面的 GRU 和 LSTM 设计是不是可以互通的？]

基于多个句子的 Read Again 模型，也是分别用两个 RNN 去编码句子，一个负责捕捉全局信息，另一个负责局部信息，这个有点像 Hierarchical Attention。拿两个句子 {x1,x2,...,xn} 和 {x′1,x′2,...,x′m} 举例，第一层 RNN 得到两个句子编码 h1n,h1′m，那么第二层的 RNN 就是把两个包含全局信息的向量考虑进去，

h2ih′2i=RNN2([xi,h1i,h1n,h′1m],h2i−1)=RNN2([x′i,h′1i,h1n,h′1m],h′2i−1)

考虑到上面句子越多，得到的句子向越多，可以用一个全局的信息来替代，

hglobal=tanh(Wrh1n+Urh′1m)+vr

那么第二层的 RNN 就变成了 ，

h2i˜h′2i˜=RNN2([xi,h1i,h1n,hglobal],h2i−1)=RNN2([x′i,h′1i,h′1m,hglobal],h′2i−1)

本篇论文里的 Copy Mechanism 比较简单，应该只能算一个简单的 trick，就是作者认为 yt−1 如果是 OOV 的话，都共享同一个 UNK 的词向量有点不合适，如果这个词在 input 中出现了，可以考虑去 encoder 中找到对应的 hidden state 替代掉。

实验结果在 DUC 2004 上比前面几个模型都稍好，但是在 gigawords 上的结果却只跟 Rush 对比，有点说不过去。

CopyNet

[Gu 2016] Incorporating Copying Mechanism in Sequence-to-Sequence Learning

这篇论文是港大和华为诺亚方舟实验室的论文，也是想尝试把生成概率和拷贝概率结合起来，但是和 [Nallapati 2016] 不同，并不是非此即彼的关系，而是把两者的概率叠加起来去预测。此外拷贝概率也不是直接套用 attention，而是额外用一个网络来预测。

上面的图(a) 是 Attention encoder-decoder，图(b)结合生成概率和拷贝概率的部分，图(c) 则是 Read-Again 里的拷贝机制的延伸，即除了词向量，还要把对齐的 encoder hidden state 考虑进去。

参考我之前的笔记，论文阅读：CopyNet

Pointer-Generator and Coverage

[See 2017] Get To The Point: Summarization with Pointer-Generator Networks

这篇 Stanford 和 Google Brain 的论文比较新，创新点在于结合了 Pointing the unknown words 和 Modeling Coverage for Neural Machine Translation 的思想，而且提出了相应的改进方案。此外，作者的 tensorflow 源码 和 博客 都具有很好的参考意义。

首先，提出 Pointer-Generator 还是为了解决生成 OOV 和低频词的问题，这个出发点和 Pointing，CopyNet，Read-Again，RNNs and Beyond 等都是一样的。CopyNet 是把生成概率和拷贝概率直接叠加到一起；Pointing, RNNs and Beyond 则是非此即彼，没有考虑融合；而这篇论文的做法是直接用一个网络来学习这两个概率之间的权重，即在 decoder 的第 t 时刻，算一下

pgen=σ(W[h∗t,st,xt])

其中 h∗t 是 context vector，st 是 t 时刻的 decoder state，xt 是 t 时刻的输入。标量 pgen∈[0,1] 是生成概率，是一个 soft switch。当 pgen 偏向 1 时，就是正常的生成，偏向 0 时，则是从 attention 概率分布 ati 中 sample 一个对应的词。即拓展后的词概率可以这样计算，

P(w)=pgenPvocab(w)+(1−pgen)∑i:wi=wati

注意如果 w 是 OOV 的词，Pvocab(w)=0；同理，当 w 不在输入中时，∑i:wi=wati=0

其次，提出 Coverage 机制是为了解决生成连续重复的词的问题。首先考虑把之前的 attention weight at′ 都加起来，得到 coverage vector

ct=∑t′=0t−1at′

这个向量的大小是输入序列的长度，其直观上的意义是，到 t 时刻每个输入已经被关注的程度，注意这个虽然是概率的叠加，但是是没有归一化的。这个向量会作为一个额外输入来计算 t 时刻第 i 个输入的 attention 权重，

eti=vTtanh(W[hi,st,cti])

这样做的出发点是，让 attention 决定 t 时刻该去关注哪一点的时候，要先知道之前已经对哪些点关注过了，就有可能解决重复关注的问题。

但是这样还不够直接，需要额外增加一个 coverage loss 来做这个事情，

covlosst=∑imin(ati,cti)

只有 ati,cti 都比较大的时候，这个损失函数的值才相对比较大，这个正好是重复造词时的现象，因此比较有针对性。注意这个函数是有上界的，即 covlosst≤∑iati=1，而且是希望越小越好。如果是机器翻译问题，则同时希望重复翻译和漏翻译，则需要最后时刻的 coverage loss 保持在 1 左右的范围。模型最终的 loss 可以用一个超参 λ 来调节交叉熵和coverage loss 之间的平衡，

losst=−logP(w∗t)+λ∑imin(ati,cti)

关于实验，作者只在 CNN/Daily Mail 上评估，而只有 Nallapati 的两篇论文在这个上面做了完整的实验，所以只跟这两篇对比，如下，

上面几行是生成式的实验结果，可以发现本篇要好于 [Nallapati 2016]，即 RNN and Beyond；后面三排是抽取式的摘要，效果仍然是 state-of-art，没办法超过，作者分析可能是新闻数据集的原因，一般前三句 baseline 已经是特别好的 summarization 了，而且 rouge 这种基于词重叠度统计的标准更是加剧了这个结果。

下面两个图对模型的实验结果做了定量分析。

左边的图 6 是生成新词的 n-grams 统计结果，绿色的 reference 最高，黄色的 baseline 次之，最好的模型生成新词最少。可以发现完全拷贝自原文的占了 35%，而 reference 只有 1.3%，可见生成式的模型结果并不都完全是生产式。不过虽然 baseline 的新词很多，但是很多都是错的，而且包括了 UNK 词等。

右边的图 4 是生成的词里重复的占比，可以看到加了 coverage 以后的蓝色条形图，重复的情况明显减少了，基本和绿色的 reference 持平。红色的没有加 coverage 重复比较严重。