基于情緒圖標(biāo)的弱監(jiān)督情緒分類

張 璐，王 路，李壽山

(蘇州大學(xué) 自然語(yǔ)言處理實(shí)驗(yàn)室 江蘇 蘇州 215006)

0 引言

情緒分析是自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，通過(guò)分析人們發(fā)布的文本推測(cè)他們的主觀感受.情緒分類是情緒分析的基本任務(wù)，旨在判斷文本表達(dá)的情緒類別，例如高興、生氣等.隨著社交媒體的迅速發(fā)展，情緒分類得到了越來(lái)越多的關(guān)注.在過(guò)去十年里，情緒分類已經(jīng)被應(yīng)用在一系列現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，例如股票市場(chǎng)、在線聊天和新聞分類等[1-3].

在以往的研究中，傳統(tǒng)的情緒分類方法主要著眼于監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，這些方法需要充足的標(biāo)注樣本來(lái)訓(xùn)練模型.但在很多場(chǎng)景下，標(biāo)注樣本有限，并且獲得大量標(biāo)注樣本需要極大的成本.

在社交媒體中，有很多樣本包含情緒圖標(biāo)，而這些情緒圖標(biāo)有時(shí)包含明確的情緒信息.

利用自動(dòng)標(biāo)注樣本最直接的方式是將它們和人工標(biāo)注樣本混合，擴(kuò)大標(biāo)注樣本的數(shù)量.簡(jiǎn)單混合不是個(gè)好選擇，因?yàn)樽詣?dòng)標(biāo)注樣本中會(huì)存在不少噪聲，甚至錯(cuò)誤標(biāo)注樣本.例如，例2和例3包含了相同的情緒圖標(biāo)卻表達(dá)了相反的情緒.通常來(lái)說(shuō)，自動(dòng)標(biāo)注樣本的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工標(biāo)注樣本的數(shù)量，簡(jiǎn)單混合可能會(huì)由于噪音而影響人工標(biāo)注樣本的性能.所以，我們需要一個(gè)更好的模型從另一個(gè)角度來(lái)利用人工標(biāo)注樣本.

本文提出了一種基于少量人工標(biāo)注樣本和大量含有情緒圖標(biāo)的自動(dòng)標(biāo)注樣本的弱監(jiān)督學(xué)習(xí)方法.不同于簡(jiǎn)單混合兩類樣本，我們提出了一種聯(lián)合學(xué)習(xí)方法Aux-LSTM.具體而言，我們將基于自動(dòng)標(biāo)注樣本和人工標(biāo)注樣本的兩個(gè)情緒分類任務(wù)分別看作主任務(wù)和輔助任務(wù).主任務(wù)通過(guò)輔助任務(wù)的共享LSTM層獲得主任務(wù)的輔助表示，將此輔助表示加入到主任務(wù)中進(jìn)行聯(lián)合學(xué)習(xí).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的聯(lián)合學(xué)習(xí)方法遠(yuǎn)優(yōu)于混合方法.

1 相關(guān)工作

文本情感分析通常包含情感分析[4-5]和情緒分析[6-7].迄今為止，已經(jīng)有很多關(guān)于情緒分析的研究工作[7-13]，本文主要研究情緒分類問(wèn)題.

早期的一些情緒分類研究利用規(guī)則來(lái)決定情緒類別，例如Kozareva等[14]首先采用統(tǒng)計(jì)方法利用上下文詞語(yǔ)與情緒關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系對(duì)文本進(jìn)行情緒分類.自此以后，大多數(shù)情緒分類研究都采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法.這些基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法大體上可以被分為兩類：監(jiān)督學(xué)習(xí)方法和半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法.

監(jiān)督學(xué)習(xí)方法將情緒分類當(dāng)作一個(gè)監(jiān)督學(xué)習(xí)問(wèn)題，利用標(biāo)注樣本使用不同的特征訓(xùn)練一個(gè)分類器[3，15-19].半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法將情緒分類當(dāng)作一個(gè)半監(jiān)督學(xué)習(xí)問(wèn)題，利用少量標(biāo)注樣本和大量未標(biāo)注樣本訓(xùn)練一個(gè)分類器.與有監(jiān)督的情緒分類相比，與半監(jiān)督情緒分類有關(guān)的研究比較少.Liu等[3]提出了一種協(xié)同學(xué)習(xí)算法，利用未標(biāo)注數(shù)據(jù)中的信息提升情緒分類的性能.Li等[10]提出了一個(gè)雙視圖標(biāo)簽傳播算法，將源文本和回復(fù)文本分別看作兩個(gè)視圖.

本文屬于半監(jiān)督情緒分類，與已有的半監(jiān)督情緒分類方法相比，本文強(qiáng)調(diào)了社交網(wǎng)絡(luò)中情緒圖標(biāo)的重要性，并通過(guò)一種聯(lián)合學(xué)習(xí)的方式加以利用.文獻(xiàn)[11]提出了一個(gè)類似的方法，利用情緒關(guān)鍵詞從網(wǎng)絡(luò)上獲得大量樣本，并將這些樣本作為自動(dòng)標(biāo)注數(shù)據(jù)訓(xùn)練一個(gè)粗粒度情緒分類系統(tǒng).但是，這種方法并沒(méi)有考慮人工標(biāo)注樣本和自動(dòng)標(biāo)注樣本同時(shí)出現(xiàn)的情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同時(shí)利用人工標(biāo)注樣本和自動(dòng)標(biāo)注樣本比僅僅利用自動(dòng)標(biāo)注樣本的效果更好.

2 語(yǔ)料庫(kù)構(gòu)建和分析

2.1 人工標(biāo)注樣本

數(shù)據(jù)來(lái)自新浪微博，我們使用Huang等[20]的標(biāo)注體系，一共標(biāo)注了2 953條微博.表1展示了7種情緒類別的樣本分布，很顯然，分布相當(dāng)不平衡.大約有1/3的樣本屬于高興類別，而只有1%的樣本表示恐懼.

本文關(guān)注粗粒度的情緒分類，所有的情緒類別被映射成了兩個(gè)基本類別，即正面情緒和負(fù)面情緒.如表2所示，我們忽略了中性情緒，并將剩余的6類情緒映射為正面情緒和負(fù)面情緒.表3展示了經(jīng)過(guò)映射以后各個(gè)類別的樣本分布情況.

表1 每種情緒類別的樣本分布Tab.1 The number of sentences in each emotion category

表2 情緒間的映射關(guān)系Tab.2 Mapping relationships between emotions

2.2 自動(dòng)標(biāo)注樣本

我們利用情緒圖標(biāo)來(lái)獲得大量自動(dòng)標(biāo)注樣本.表4展示了正面和負(fù)面情緒類別中情緒圖標(biāo)的數(shù)量以及一些例子.如果一條微博中包含的正面(負(fù)面)情緒圖標(biāo)數(shù)目多于負(fù)面(正面)情緒圖標(biāo)數(shù)目，那么它就會(huì)被標(biāo)注成正面(負(fù)面)情緒.以這種方式，我們可以快速獲得超過(guò)100 000條自動(dòng)標(biāo)注樣本.

3 方法

本節(jié)主要介紹我們提出的聯(lián)合學(xué)習(xí)方法Aux-LSTM，同時(shí)利用人工標(biāo)注樣本和自動(dòng)標(biāo)注樣本進(jìn)行情緒分類.

表3 經(jīng)過(guò)映射后每種情緒類的樣本分布Tab.3 The number of sentences in each emotion category after mapping

表4 每種情緒類別中情緒圖標(biāo)的數(shù)目Tab.4 The numbers of emotions in each emotion category

3.1 基于LSTM的情緒分類方法

首先，我們用T表示輸入，經(jīng)過(guò)LSTM[21]層得到新的表示h，

h=LSTM(T).

接著，將LSTM層的輸出連接到全連接層：h*=dense(h)=φ(θTh+b),其中:φ是非線性激活函數(shù)，這里使用Relu，h*表示全連接層的輸出，θ和b分別代表權(quán)重和偏置.

然后，為了防止過(guò)擬合，我們采用了dropout層，公式為：hd=h*·D(p*)，其中：D表示dropout操作，p*表示dropout的概率，hd表示dropout層輸出.

最后，我們使用sigmoid層給出預(yù)測(cè)概率，公式為：p=sigmoid(Wdhd+bd)，其中：p表示情緒類別的預(yù)測(cè)概率，Wd表示需要學(xué)習(xí)的權(quán)重矩陣，bd表示偏置.

我們的情緒分類模型通過(guò)最小化交叉熵?fù)p失函數(shù)來(lái)優(yōu)化，具體公式為：

其中：loss表示情緒分類的損失函數(shù)；m是樣本數(shù)目；k是情緒類別數(shù)；yij表示第i個(gè)樣本屬于第j個(gè)類別；pij代表對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)概率.

3.2 基于聯(lián)合學(xué)習(xí)的情緒分類方法

圖1描述了我們的Aux-LSTM方法，它包含了一個(gè)主任務(wù)和一個(gè)輔助任務(wù).我們把使用人工標(biāo)注樣本的情緒分類任務(wù)當(dāng)作主任務(wù)，把使用自動(dòng)標(biāo)注樣本的情緒分類任務(wù)當(dāng)作輔助任務(wù)，旨在利用輔助表示幫助提高主任務(wù)的分類性能.這種方法的主要思想是通過(guò)主任務(wù)和輔助任務(wù)共享輔助LSTM層，同時(shí)利用人工標(biāo)注樣本和自動(dòng)標(biāo)注樣本.

圖1 Aux-LSTM的總體框架Fig.1 The overall architecture of Aux-LSTM

3.2.1主任務(wù) 主任務(wù)的表示分別由主LSTM層和輔助LSTM層生成：

hmain1=LSTMmain(T)，hmain2=LSTMaux(T)，

其中：hmain1和hmain2分別表示主LSTM層和輔助LSTM層的輸出.

接著，我們將兩個(gè)LSTM層的輸出分別連接到兩個(gè)全連接層，并將兩個(gè)全連接層的輸出進(jìn)行拼接后，連接到另一個(gè)全連接層，得到新的表示：

⊕denseaux11(hmain2))，

3.2.2輔助任務(wù) 輔助任務(wù)的表示由輔助LSTM層生成，輔助LSTM層是嫁接兩個(gè)分類任務(wù)的共享LSTM層，使用與主任務(wù)中輔助LSTM層相同的權(quán)重對(duì)輸入進(jìn)行編碼，haux=LSTMaux(T).

3.2.3聯(lián)合學(xué)習(xí) 在聯(lián)合學(xué)習(xí)方法中，我們對(duì)主任務(wù)和輔助任務(wù)的損失函數(shù)進(jìn)行線性組合得到聯(lián)合學(xué)習(xí)的損失函數(shù)：

其中：λ表示權(quán)重參數(shù)；yijmain和yijaux分別表示主任務(wù)和輔助任務(wù)中第i個(gè)樣本屬于第j個(gè)類別；pijmain和pijaux分別表示對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)概率；l是L2正則化參數(shù)；θ代表所有的參數(shù).我們使用Adam[22]作為優(yōu)化算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中所有矩陣和向量初始化采用均一分布[23].

4 實(shí)驗(yàn)

在這個(gè)部分，我們將系統(tǒng)分析同時(shí)利用人工標(biāo)注樣本和自動(dòng)標(biāo)注樣本的聯(lián)合學(xué)習(xí)方法在情緒分類上的效果.

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

如第3節(jié)所述，所有的人工標(biāo)注語(yǔ)料和自動(dòng)標(biāo)注語(yǔ)料都來(lái)自新浪微博.在主任務(wù)中，我們隨機(jī)挑選人工標(biāo)注樣本的5%、10%和20%作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，另選20%作為測(cè)試集.在輔助任務(wù)中，我們隨機(jī)選取2 000、4 000、6 000、8 000和10 000條自動(dòng)標(biāo)注樣本作為訓(xùn)練集，測(cè)試集與主任務(wù)中一致.

本文實(shí)驗(yàn)采用一元詞特征，每條微博被表示為一個(gè)詞袋模型.我們采用正確率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量預(yù)測(cè)標(biāo)簽與真實(shí)標(biāo)簽之前的差距.

4.2 單個(gè)情緒分類任務(wù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在這部分，我們將匯報(bào)單獨(dú)使用人工標(biāo)注樣本或自動(dòng)標(biāo)注樣本的情緒分類結(jié)果.我們實(shí)現(xiàn)了幾種情緒分類方法.

SVM (support vector machine)：使用libSVM工具包實(shí)現(xiàn)，所有參數(shù)通過(guò)驗(yàn)證集進(jìn)行調(diào)整.

ME (maximum entropy)：使用Mallet工具包實(shí)現(xiàn)，所有參數(shù)通過(guò)驗(yàn)證集進(jìn)行調(diào)整.

LSTM：使用Keras工具包實(shí)現(xiàn)，具體參數(shù)如表5所示.

表6展示了3種基本方法使用不同比例的人工標(biāo)注樣本時(shí)的結(jié)果.從表中我們可以看出，SVM表現(xiàn)最差，與其他兩者相比，LSTM表現(xiàn)不錯(cuò)，這可能是因?yàn)長(zhǎng)STM模型更能捕捉序列信息.所以，我們將LSTM模型作為聯(lián)合學(xué)習(xí)方法的基本分類器.

表5 LSTM中的參數(shù)設(shè)置Tab.5 Parameter settings in LSTM

表6 不同的方法使用不同比例的人工標(biāo)注樣本時(shí)的結(jié)果Tab.6 The results of different classification methods using human-annotated data

表7展示了3種基本方法使用不同數(shù)目的自動(dòng)標(biāo)注樣本時(shí)的結(jié)果.從表中我們可以看出，不同的方法對(duì)樣本數(shù)量的適應(yīng)性不同，沒(méi)有一種方法完全優(yōu)于另外兩種.例如，當(dāng)我們使用2 000條訓(xùn)練樣本時(shí)，SVM表現(xiàn)最好，但是使用10 000條訓(xùn)練樣本時(shí)，ME表現(xiàn)最好.

表7 不同的方法使用不同數(shù)量的自動(dòng)標(biāo)注樣本時(shí)的結(jié)果Tab.7 The results of different classification methods using auto-annotated data

此外，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用LSTM時(shí)，訓(xùn)練樣本數(shù)目從2 000增長(zhǎng)到6 000，正確率隨著訓(xùn)練樣本數(shù)目的增長(zhǎng)而提高，但是當(dāng)訓(xùn)練樣本從6 000增長(zhǎng)到10 000，正確率反而下降了.這與人工標(biāo)注樣本上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，這種現(xiàn)象表明正確率并不能總是隨著自動(dòng)標(biāo)注樣本數(shù)目的增長(zhǎng)而提高，由于自動(dòng)標(biāo)注樣本存在噪聲甚至是錯(cuò)誤，所以我們?cè)谑褂米詣?dòng)標(biāo)注樣本時(shí)要很小心.

4.3 聯(lián)合學(xué)習(xí)情緒分類任務(wù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了充分比較，我們實(shí)現(xiàn)了兩種情緒分類的聯(lián)合學(xué)習(xí)方法.

混合模型：簡(jiǎn)單混合人工標(biāo)注樣本和自動(dòng)標(biāo)注樣本，并訓(xùn)練了一個(gè)LSTM分類器進(jìn)行情緒分類.與單個(gè)LSTM模型相比，這個(gè)混合模型包含更多的訓(xùn)練樣本.

Aux-LSTM：利用輔助表示進(jìn)行聯(lián)合學(xué)習(xí)，在這個(gè)模型里，我們同時(shí)考慮利用人工標(biāo)注樣本的情緒分類和利用自動(dòng)標(biāo)注樣本的情緒分類這兩個(gè)任務(wù).這個(gè)方法旨在利用情緒圖標(biāo)的額外信息提升情緒分類的性能.

圖2～4分別展示了使用5%、10%和20%的人工標(biāo)注樣本時(shí)各種方法的分類結(jié)果.使用5%的人工標(biāo)注樣本時(shí)，基于人工標(biāo)注樣本的LSTM模型的性能總是低于基于自動(dòng)標(biāo)注樣本的LSTM模型.這是可以理解的，因?yàn)槿斯?biāo)注樣本的數(shù)目太少.當(dāng)我們混合這兩個(gè)數(shù)據(jù)集時(shí)，我們的方法Aux-LSTM總體上優(yōu)于混合模型，尤其是自動(dòng)標(biāo)注樣本數(shù)目增大時(shí).與基于人工標(biāo)注樣本的LSTM模型相比，我們方法的提升很顯著，大約6%，這就印證了自動(dòng)標(biāo)注的有效性.

圖2 使用5%的人工標(biāo)注樣本時(shí)各種方法的分類結(jié)果Fig.2 Performances of different approaches to emotion classification with 5% human-annotated data

圖3 使用10%的人工標(biāo)注樣本時(shí)各種方法的分類結(jié)果Fig.3 Performances of different approaches to emotion classification with 10% human-annotated data

使用10%的人工標(biāo)注樣本時(shí)，基于人工標(biāo)注樣本的LSTM模型的性能與基于自動(dòng)標(biāo)注樣本的LSTM模型相當(dāng).當(dāng)我們混合這兩個(gè)數(shù)據(jù)集時(shí)，我們的方法Aux-LSTM明顯優(yōu)于混合模型.與基于人工標(biāo)注樣本的LSTM模型相比，我們方法的提升依舊顯著，大約6%.

使用20%的人工標(biāo)注樣本時(shí)，基于人工標(biāo)注樣本的LSTM模型的性能優(yōu)于基于自動(dòng)標(biāo)注樣本的LSTM模型.當(dāng)我們混合這兩個(gè)數(shù)據(jù)集時(shí)，我們的方法Aux-LSTM仍然優(yōu)于混合模型，在所有方法中分類性能最好，盡管與基于人工標(biāo)注樣本的LSTM模型相比，我們方法的提升只有2%.

4.4 參數(shù)敏感性和錯(cuò)誤分析

在我們的聯(lián)合學(xué)習(xí)模型中，有一個(gè)參數(shù)λ用來(lái)平衡兩個(gè)情緒分類任務(wù)的重要性.我們?cè)谧詣?dòng)標(biāo)注樣本的數(shù)目固定為6 000時(shí)測(cè)試這個(gè)參數(shù)的敏感度.圖5展示了在不同人工標(biāo)注樣本數(shù)目的情況下，情緒分類性能隨λ變化的情況.從這張圖中我們可以看出，這個(gè)參數(shù)并不敏感.當(dāng)λ從0.6變化到0.75時(shí)，我們的方法表現(xiàn)始終很穩(wěn)定.

圖4 使用20%的人工標(biāo)注樣本時(shí)各種方法的分類結(jié)果Fig.4 Performances of different approaches to emotion classification with 20% human-annotated data

圖5 參數(shù)敏感性的測(cè)試結(jié)果Fig.5 The result of parameter sensitiveness

我們的方法雖然取得了84%的分類性能，但是仍然有很大提升空間.通過(guò)分析結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)主要有以下兩種錯(cuò)誤：1) 一些微博同時(shí)包含正面和負(fù)面的關(guān)鍵詞，分類器很難分辨.例如，例4中的“好看”表達(dá)了正面情緒，而“比較差”表達(dá)了負(fù)面情緒.2) 一些微博太短，增加了分類器分類的難度.例如，例5只有兩個(gè)字，無(wú)法判斷屬于哪個(gè)情緒類別.

例4：這個(gè)相機(jī)顏色好看，像素比較差.例5：嗷嗷！

5 結(jié)論

本文首先利用未標(biāo)注樣本中的情緒圖標(biāo)信息獲得大量自動(dòng)標(biāo)注樣本，緊接著提出了一個(gè)聯(lián)合學(xué)習(xí)方法，即Aux-LSTM，來(lái)同時(shí)利用人工標(biāo)注樣本和自動(dòng)標(biāo)注樣本.我們通過(guò)輔助任務(wù)的共享LSTM層獲得主任務(wù)的輔助表示，并將此輔助表示加入到主任務(wù)中進(jìn)行聯(lián)合學(xué)習(xí).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用自動(dòng)標(biāo)注是提升情緒分類性能的有效方式，我們提出的聯(lián)合學(xué)習(xí)方法優(yōu)于一些基準(zhǔn)方法.

在將來(lái)的研究中，我們考慮利用更多的上下文信息來(lái)提升我們的方法，并將Aux-LSTM模型應(yīng)用到細(xì)粒度的情緒分類任務(wù)中.