Implementing a sentence classification using Char level CNN & RNN

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reference

1. Character-level Convolutional Networks for Text Classification, Xiang Zhang
2. Convolutional Neural Networks for Sentence Classification, Yoon Kim
3. Understanding Convolutional Neural Networks for NLP, WILDML

data reference

1. 네이버 글로벌회화

1. Char 레벨의 CNN과 RNN을 이용한 문장 분류기

네이버 글로벌회화 페이지에서는 카테고리별 영어 문장을 소개하고 있다.
총 16개의 카테고리를 다음과 같이 정리할 수 있다.
0(기본표현) : Hello. Nice to meet you.
0(기본표현) : How are you doing?
...
15(긴급상황) : Your car has been towed.
15(긴급상황) : My car was towed, I'd like to reclaim it.

위 문장 데이터셋을 학습하여 영어문장이 입력으로 들어왔을때 어떤 카테고리인지 분류할 수 있는 모델을 만든다.
보통은 단어(word)단위로 학습을 수행하지만, 이번에는 글자(char)단위로 학습하도록 한다.

input data : 영어 문장의 character embeddings
output data : 문장 카테고리 번호

sentence의 max_len은 최대 문장길이를 기준으로 하며, 문장이 끝난뒤 이후 공백은 zero-padding을 적용하여 처리한다.

입력데이터로 one-hot vector가 아닌 embedding vector를 사용하였다.
각 글자마다 embedding vector를 가중치처럼 사용하며, 처음에는 임의의 값으로 시작하여 학습 과정에서 점차 값이 변하게 된다.

이후부터 학습모델을 2개를 생성한다.

1. char-embedding -> CNN -> full connected layer 모델
2. char-embedding -> CNN -> RNN -> full connected layer 모델
   아래에서 두모델의 구조를 설명하고 성능을 비교해 본다.

2.1 char-embedding & CNN Model

source code : sentence_classification_char_cnn.py

CNN filter의 width는 입력 embedding vector의 dim과 같은 사이즈로 한다.
height의 경우 (3,6,9) 3가지의 필터 종류를 사용하였다. 이는 곧 n-gram을 의미하며, 몇 글자를 통과시킬지를 결정한다.

또한, pooling시 kernel의 width 역시 embedding vector의 dim과 같은 사이즈로 하고,
height의 경우 max_len - filter_height + 2 - SEQ_FEAT_DIM로 정한다.
위와 같이 필터를 설정할 경우 필터를 통과후 shape은 (SEQ_FEAT_DIM, 1)이 된다.

conv2d와 max-pooling을 통과한 feature shape은 (batch_size, SEQ_FEAT_DIM, 1, num_filter)가 3개의 필터(3,6,9 gram filter)별로 존재하게 된다.
이를 (SEQ_FEAT_DIM × num_filter × 3, 1) 형태로 변환한다.
이후, 문장 카테고리 label과 full-connected layer로 처리한다.

2.2 char-embedding & CNN & RNN Model

source code : sentence_classification_char_cnn_rnn.py

CNN 과정까지는 2.1과 동일하다.
(batch_size, SEQ_FEAT_DIM, 1, num_filter)× 3 인 conv-layer의 출력물을 RNN의 입력으로 사용할 것이다.
이때, SEQ_FEAT_DIM가 RNN의 input seq을 의미하며, num_filter×3이 input feature vector가 된다.

RNN의 output shape는 (SEQ_FEAT_DIM, STATE_SIZE)가 되며, 마지막으로 full-connected layer 사용을 위해 (SEQ_FEAT_DIM × STATE_SIZE, 1)로 변형한다.

3. Test result

sentence_classification_char_cnn.py 와 sentence_classification_char_cnn_rnn.py 을 실험하였다.
가장 간단한 구조의 char embedding과 CNN을 이용한 분류기법에서는 feature map의 height를 1로 설정한다.
하지만 본 실험의 의도는 CNN의 필터가 결국은 연속된 글자들의 순서를 통과하기 때문에, feature의 시퀀스(SEQ_FEAT_DIM)를 의미있는 수로 늘리고(2.1 모델) 이를 RNN의 입력으로 사용하는 것 이었다(2.2 모델).
실제 실험 결과는 다음과 같다.

4. Tensorflow gpaph

sentence_classification_char_cnn.py

sentence_classification_char_cnn_rnn.py