TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH
FAKULTA ELEKTRONIKY A INFORMATIKY
Hodnotenie vyhľadávania modelu
2022
Michal Stromko
# Úvod
Cieľom tejto práce je zoznámenie sa s možnosťami hodnotenia modelov. Natrénovaný model dokáže vyhodnocovať viacerými technikami s použitím rôzdnych open source riešení. Každé z riešení nám ponúkne iné výsledky. V tejto práci bližšie opíšem základné pojmy, ktoré je potrebné poznať pri hodnotení. Opíšem základné informácie o technikách hodnotenia od základných pojmov ako Vektorové vyhľadávania, DPR, Sentence Transformers, BM-25, Faiss a mnoho ďalších.
# Základné znalosti
Na začiatok je potrebné povedať, že pri spracovaní prirodzeného jazyka dokážeme používať rôzne metódy prístupu hodnotenia modelu, poprípade aj vyhľadávanie v modeli. V poslených rokoch sa v praxi stretávame s vyhľadávaním na základe vypočítania vektorov. Následne na takto vypočítané vektory dokážeme pomocou kosínusovej vzdialenosti nájsť vektory, inak povedané dve čísla, ktoré sú k sebe najblyžšie. Jedno z čísel je z množiny vektorov, ktoré patria hľadanému výrazu, druhé číslo patrí slovu, alebo vete, ktorá sa nacháza v indexe.
Vyhodnotenie vyhľadávana v modeli dôležité z hľadiska budúceho použitia modelu do produkcie. Pokiaľ sa do produkcie dostane model, ktorí bude mať nízke ohodnotenie bude sa stávať, že vyhľadávanie bude nepresné to znamená, výskedky nebudú relevantné k tomu čo sme vyhľadávali.
V tejto práci som realizoval viaceré experimenty, v ktorých som hodnotil vyhľadávanie pomocou modelov do ktorých bol zaembedovaný text. Každý text obsahuje ďalšie atribúty ako otázky a odpovede. Otázky sa následne pošlú na vyhľadanie a čaká sa na výsledok vyhľadávania. Výsledky ktoré prídu sa následne porovnajú s očakávanými odpoveďami. Výsledok vyhľadávania boli odpovede ktoré som hladal v správnych odpovediach pre danú otázku. Každý model, ktorý som vyhodnocoval pracoval s počítaním embeddingov
### Dense Passage Retriever (DPR)
DPR nazývame ako typ systému, spracovania prirodzeného jazyka (NLP). Tento systém získava relevantné časti, inak povedané pasáže z veľkého korpusu textu. V kombinácii s sémantickou analýzou a algoritmom strojového učenia, ktorý idenetifikuje najrelevantnejšie pasáže pre daný dopyt. DPR je založený na používaní správneho enkódera, ktorý mapuje text na dimenzionálne vektory skutočnej hodnoty a vytvára index M, ktorý sa používa pre vyhľadávanie. Treba však povedať, že počas behu DPR sa aplikuje aj iný enkóder **EQ**, ktorý mapuje vstupnú otázku na d-rozmerný vektor a následne hľadá tie vektory, ktoré sú najbližšie k vektoru otázky. Podobnosť medzi otázkou a časťou odpovede definujeme pomocou **Bodového súčinu ich vektorov**.
Aj keď existujú silnejšie modelové formy na meranie podobnosti medzi otázkou a pasážou, ako sú siete pozostávajúce z viacerých vrstiev krížovej pozornosti, ktorá musí byť rozložiteľná, aby sme mohli vopred vypočítať kolekcie pasáží. Väčšina rozložiteľných funkcii podobnosti používa transformácie euklidovskej vzdialenosti.
**Cross Attentions** (krížová pozornosť)
Cross Attentions v DPR je technika, ktorá sa používa na zlepšenie presnosti procesu vyhľadávania. Funguje tak, že umožňuje modelu pracovať s viacerými pasížami naraz, čo umožňuje identifikovanie najrelevantnejších pasáží. Pre pre správne identifikovanie DPR berie do úvahy kontext každej pasáže. V prvom kroku najskôr model identifikuje kľúčové výrazy v dotaze a následne použije sémantickú analýzu na identifikáciu súvisiacich výrazov. Mechanizmus pozornisti umožňuje modelu zamerať sa na najdôležitejšie slová v každej pasáži, zatiaľ čo algoritmu strojového učenia pomáha modelu s identifikáciou.
V ďalšom kroku _Cross Attentions_ používa systém bodovania na hodnotenie získaných pasáží. Bodovací systém berie do úvahy relevantnosť pasáží k dopytu, dĺžku pasáží a počet výskytov dopytovacích výrazov v pasážach. Posledným dôležitým atribútom, ktorý sa zisťuje je miera súvislosti nájdeného výrazu k výrazu dopytu.
**Pozitívne a negatívne pasáže** (Positive and Negative passages)
Časté problémy, ktoré vznikajú pri vyhľadávaní sú spojené s opakujúcimi sa pozitívnymi výsledkami, zatiaľ čo negatívne výsledky sa vyberajú z veľkej množiny. Ako príklad si môžeme uviesť pasáž, ktorá súvisí s otázkou a nachádza sa v súbore QA a dá sa nájsť pomocou odpovede. Všetky ostatné pasáže aj keď nie sú explicitne špecifikované, môžu byť predvolene považované za irelevantné.
Poznáme tri typy negatívnych odpovedí:
- **Náhodný (Random)**
- Je to akákoľvek náhodná pasáž z korpusu
- **BM25**
- Top pasáže vracajúce BM25, ktoré neobsahujú odpoveď, ale zodpovedajú väčšine otázkou
- **Zlato (Gold)**
- Pozitívne pasáže párované s ostatnými otázkami, ktoré sa objavili v trénovacom súbore
### Sentence Transformers
- je Python framework
- dokázeme vypočítať Embeddingy vo vyše 100 jazykoch a dajú sa použíť na bežné úlohy ako napríklad semantic text similarity, sementic search, paraphrase mining
- framework je založený na PyTorch a Transformers a ponúka veľkú zbierku predtrénovyných modelov, ktoré sú vyladené pre rôzdne úlohy
### Semantic Search
### Word Embedding
Požívanie Word Embedings závisí od dobre vypočítaných Embedingov. Pokiaľ máme dobre vypočítané Embeddingy dokážeme veľmi jednoducho dostávať správne odpovede napríklad pri vyhľadávaní. Word Embedding môžeme poznať aj pod slovným spojením ako distribuovaná reprezentácia slov. Dokážeme pomocou neho zachytiť sémantické aj systaktické informácie o slovách z veľkého neoznačeného korpusu.
Word Emedding používa tri kritické komponenty pri trénovaní a to model, korpus a trénovacie parametre. Aby sme mohli navrhnút efektívne word-embedding metódy je potrebné na začiatku objasniť konštrukciu modelu. Takmer všetky metódy trénovania word embeddings sú založené na rovnakej distribučnej hypotéze: **Slové, ktoré sa vyskytujú v podobných kontextoch, majú tendenciu mať podobné významy**
Vzhľadom na vyšie napísanú hypotézu rôzne metódy modelujú vzťah medzi cieľovým slovom _w_ a jeho kontextom _c_ v korpuse s rôzymi spôsobmi, pričom _w_ a _c_ sú vložené do vektorov. Vo všeobecnosti môžeme povedať, že existujúce metódy sa líšia v dvoch hlavných aspektoch modelu konštrukcii a to **vzťah medzi cieľovým slovom a jeho kontextom a reprezentácia kontextu**
Treba brať na vedomie, že trénovanie presných word embeddingov silne, inak povedané výrazne súvisí s tréningovým korpusom. Rôzne tréningové korpusy s rôznou veľkosťou a pochádzajúcej z rôzdnej oblasti môžu výrazne ovplyvniť konečné výsledky.
Nakoniec presné trénovanie word embeddingov silne závisí od parametrov akými sú:
- počet iterácii
- dimenzionalita embeddingov
### Vykonanie experimentov hodnotenia modelov pre vyhľadávanie
Bol uvedený pre širokú verejnosť v roku 2021