Explorando o TF-Hub CORD-19 Swivel Embeddings

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O texto CORD-19 Swivel incorporando módulo de TF-Hub ( https://tfhub.dev/tensorflow/cord-19/swivel-128d/3 ) foi construído para pesquisadores de apoio analisando texto línguas naturais relacionadas com COVID-19. Estas incorporações foram treinados sobre os títulos, autores, resumos, textos do corpo, e os títulos de referência de artigos no conjunto de dados CORD-19 .

Nesta colab iremos:

  • Analise palavras semanticamente semelhantes no espaço de incorporação
  • Treine um classificador no conjunto de dados SciCite usando os embeddings CORD-19

Configurar

import functools
import itertools
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import seaborn as sns
import pandas as pd

import tensorflow as tf

import tensorflow_datasets as tfds
import tensorflow_hub as hub

from tqdm import trange

Analise os embeddings

Vamos começar analisando a incorporação, calculando e plotando uma matriz de correlação entre os diferentes termos. Se o embedding aprender a capturar com sucesso o significado de palavras diferentes, os vetores de embedding de palavras semanticamente semelhantes devem estar próximos. Vamos dar uma olhada em alguns termos relacionados ao COVID-19.

# Use the inner product between two embedding vectors as the similarity measure
def plot_correlation(labels, features):
  corr = np.inner(features, features)
  corr /= np.max(corr)
  sns.heatmap(corr, xticklabels=labels, yticklabels=labels)

# Generate embeddings for some terms
queries = [
  # Related viruses
  'coronavirus', 'SARS', 'MERS',
  # Regions
  'Italy', 'Spain', 'Europe',
  # Symptoms
  'cough', 'fever', 'throat'
]

module = hub.load('https://tfhub.dev/tensorflow/cord-19/swivel-128d/3')
embeddings = module(queries)

plot_correlation(queries, embeddings)

png

Podemos ver que a incorporação capturou com sucesso o significado dos diferentes termos. Cada palavra é semelhante às outras palavras do seu cluster (ou seja, "coronavirus" altamente correlacionado com "SARS" e "MERS"), embora sejam diferentes dos termos de outros clusters (ou seja, a semelhança entre "SARS" e "Espanha" é próximo a 0).

Agora vamos ver como podemos usar esses embeddings para resolver uma tarefa específica.

SciCite: Classificação da intenção de citação

Esta seção mostra como se pode usar a incorporação para tarefas posteriores, como classificação de texto. Nós vamos usar o dataset SciCite de TensorFlow conjuntos de dados a intenções de citação classifico em trabalhos acadêmicos. Dada uma frase com uma citação de um artigo acadêmico, classifique se o objetivo principal da citação é como informação de base, uso de métodos ou comparação de resultados.

builder = tfds.builder(name='scicite')
builder.download_and_prepare()
train_data, validation_data, test_data = builder.as_dataset(
    split=('train', 'validation', 'test'),
    as_supervised=True)

Vamos dar uma olhada em alguns exemplos rotulados do conjunto de treinamento

NUM_EXAMPLES =   10

TEXT_FEATURE_NAME = builder.info.supervised_keys[0]
LABEL_NAME = builder.info.supervised_keys[1]

def label2str(numeric_label):
  m = builder.info.features[LABEL_NAME].names
  return m[numeric_label]

data = next(iter(train_data.batch(NUM_EXAMPLES)))


pd.DataFrame({
    TEXT_FEATURE_NAME: [ex.numpy().decode('utf8') for ex in data[0]],
    LABEL_NAME: [label2str(x) for x in data[1]]
})

Treinando um classificador de intenção de citaton

Vamos treinar um classificador no conjunto de dados SciCite usando Keras. Vamos construir um modelo que use os embeddings CORD-19 com uma camada de classificação no topo.

Hiperparâmetros

EMBEDDING = 'https://tfhub.dev/tensorflow/cord-19/swivel-128d/3' 
TRAINABLE_MODULE = False 

hub_layer = hub.KerasLayer(EMBEDDING, input_shape=[], 
                           dtype=tf.string, trainable=TRAINABLE_MODULE)

model = tf.keras.Sequential()
model.add(hub_layer)
model.add(tf.keras.layers.Dense(3))
model.summary()
model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

Model: "sequential"
_________________________________________________________________
 Layer (type)                Output Shape              Param #   
=================================================================
 keras_layer (KerasLayer)    (None, 128)               17301632  
                                                                 
 dense (Dense)               (None, 3)                 387       
                                                                 
=================================================================
Total params: 17,302,019
Trainable params: 387
Non-trainable params: 17,301,632
_________________________________________________________________

Treine e avalie o modelo

Vamos treinar e avaliar o modelo para ver o desempenho na tarefa SciCite

EPOCHS = 35
BATCH_SIZE = 32

history = model.fit(train_data.shuffle(10000).batch(BATCH_SIZE),
                    epochs=EPOCHS,
                    validation_data=validation_data.batch(BATCH_SIZE),
                    verbose=1)
Epoch 1/35
257/257 [==============================] - 3s 7ms/step - loss: 0.9244 - accuracy: 0.5924 - val_loss: 0.7915 - val_accuracy: 0.6627
Epoch 2/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.7097 - accuracy: 0.7152 - val_loss: 0.6799 - val_accuracy: 0.7358
Epoch 3/35
257/257 [==============================] - 2s 7ms/step - loss: 0.6317 - accuracy: 0.7551 - val_loss: 0.6285 - val_accuracy: 0.7544
Epoch 4/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5938 - accuracy: 0.7687 - val_loss: 0.6032 - val_accuracy: 0.7566
Epoch 5/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5724 - accuracy: 0.7750 - val_loss: 0.5871 - val_accuracy: 0.7653
Epoch 6/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5580 - accuracy: 0.7825 - val_loss: 0.5800 - val_accuracy: 0.7653
Epoch 7/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5484 - accuracy: 0.7870 - val_loss: 0.5711 - val_accuracy: 0.7718
Epoch 8/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5417 - accuracy: 0.7896 - val_loss: 0.5648 - val_accuracy: 0.7806
Epoch 9/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5356 - accuracy: 0.7902 - val_loss: 0.5628 - val_accuracy: 0.7740
Epoch 10/35
257/257 [==============================] - 2s 7ms/step - loss: 0.5313 - accuracy: 0.7903 - val_loss: 0.5581 - val_accuracy: 0.7849
Epoch 11/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5277 - accuracy: 0.7928 - val_loss: 0.5555 - val_accuracy: 0.7838
Epoch 12/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5242 - accuracy: 0.7940 - val_loss: 0.5528 - val_accuracy: 0.7849
Epoch 13/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5215 - accuracy: 0.7947 - val_loss: 0.5522 - val_accuracy: 0.7828
Epoch 14/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5190 - accuracy: 0.7961 - val_loss: 0.5527 - val_accuracy: 0.7751
Epoch 15/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5176 - accuracy: 0.7940 - val_loss: 0.5492 - val_accuracy: 0.7806
Epoch 16/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5154 - accuracy: 0.7978 - val_loss: 0.5500 - val_accuracy: 0.7817
Epoch 17/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5136 - accuracy: 0.7968 - val_loss: 0.5488 - val_accuracy: 0.7795
Epoch 18/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5127 - accuracy: 0.7967 - val_loss: 0.5504 - val_accuracy: 0.7838
Epoch 19/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5111 - accuracy: 0.7970 - val_loss: 0.5470 - val_accuracy: 0.7860
Epoch 20/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5101 - accuracy: 0.7972 - val_loss: 0.5471 - val_accuracy: 0.7871
Epoch 21/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5082 - accuracy: 0.7997 - val_loss: 0.5483 - val_accuracy: 0.7784
Epoch 22/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5077 - accuracy: 0.7995 - val_loss: 0.5471 - val_accuracy: 0.7860
Epoch 23/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5064 - accuracy: 0.8012 - val_loss: 0.5439 - val_accuracy: 0.7871
Epoch 24/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5057 - accuracy: 0.7990 - val_loss: 0.5476 - val_accuracy: 0.7882
Epoch 25/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5050 - accuracy: 0.7996 - val_loss: 0.5442 - val_accuracy: 0.7937
Epoch 26/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5045 - accuracy: 0.7999 - val_loss: 0.5455 - val_accuracy: 0.7860
Epoch 27/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5032 - accuracy: 0.7991 - val_loss: 0.5435 - val_accuracy: 0.7893
Epoch 28/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5034 - accuracy: 0.8022 - val_loss: 0.5431 - val_accuracy: 0.7882
Epoch 29/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5025 - accuracy: 0.8017 - val_loss: 0.5441 - val_accuracy: 0.7937
Epoch 30/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5017 - accuracy: 0.8013 - val_loss: 0.5463 - val_accuracy: 0.7838
Epoch 31/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5015 - accuracy: 0.8017 - val_loss: 0.5453 - val_accuracy: 0.7871
Epoch 32/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5011 - accuracy: 0.8014 - val_loss: 0.5448 - val_accuracy: 0.7915
Epoch 33/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5006 - accuracy: 0.8025 - val_loss: 0.5432 - val_accuracy: 0.7893
Epoch 34/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.5005 - accuracy: 0.8008 - val_loss: 0.5448 - val_accuracy: 0.7904
Epoch 35/35
257/257 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.4996 - accuracy: 0.8016 - val_loss: 0.5448 - val_accuracy: 0.7915

from matplotlib import pyplot as plt
def display_training_curves(training, validation, title, subplot):
  if subplot%10==1: # set up the subplots on the first call
    plt.subplots(figsize=(10,10), facecolor='#F0F0F0')
    plt.tight_layout()
  ax = plt.subplot(subplot)
  ax.set_facecolor('#F8F8F8')
  ax.plot(training)
  ax.plot(validation)
  ax.set_title('model '+ title)
  ax.set_ylabel(title)
  ax.set_xlabel('epoch')
  ax.legend(['train', 'valid.'])
display_training_curves(history.history['accuracy'], history.history['val_accuracy'], 'accuracy', 211)
display_training_curves(history.history['loss'], history.history['val_loss'], 'loss', 212)

png

Avalie o modelo

E vamos ver como o modelo funciona. Dois valores serão retornados. Perda (um número que representa nosso erro, valores mais baixos são melhores) e precisão.

results = model.evaluate(test_data.batch(512), verbose=2)

for name, value in zip(model.metrics_names, results):
  print('%s: %.3f' % (name, value))
4/4 - 0s - loss: 0.5357 - accuracy: 0.7891 - 441ms/epoch - 110ms/step
loss: 0.536
accuracy: 0.789

Podemos ver que a perda diminui rapidamente enquanto, especialmente, a precisão aumenta rapidamente. Vamos plotar alguns exemplos para verificar como a previsão se relaciona com os rótulos verdadeiros:

prediction_dataset = next(iter(test_data.batch(20)))

prediction_texts = [ex.numpy().decode('utf8') for ex in prediction_dataset[0]]
prediction_labels = [label2str(x) for x in prediction_dataset[1]]

predictions = [
    label2str(x) for x in np.argmax(model.predict(prediction_texts), axis=-1)]


pd.DataFrame({
    TEXT_FEATURE_NAME: prediction_texts,
    LABEL_NAME: prediction_labels,
    'prediction': predictions
})

Podemos ver que, para essa amostra aleatória, o modelo prevê o rótulo correto na maioria das vezes, indicando que ele pode incorporar frases científicas muito bem.

Qual é o próximo?

Agora que você aprendeu um pouco mais sobre os embeddings CORD-19 Swivel do TF-Hub, incentivamos você a participar da competição CORD-19 Kaggle para contribuir com a obtenção de conhecimentos científicos de textos acadêmicos relacionados ao COVID-19.