aky15
2023-04-12 7d1efe158eda74dc847c397db906f6cb77ac0f84
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
"""Multi-Head attention layers with relative positional encoding."""
 
import math
from typing import Optional, Tuple
 
import torch
 
 
class RelPositionMultiHeadedAttention(torch.nn.Module):
    """RelPositionMultiHeadedAttention definition.
 
    Args:
        num_heads: Number of attention heads.
        embed_size: Embedding size.
        dropout_rate: Dropout rate.
 
    """
 
    def __init__(
        self,
        num_heads: int,
        embed_size: int,
        dropout_rate: float = 0.0,
        simplified_attention_score: bool = False,
    ) -> None:
        """Construct an MultiHeadedAttention object."""
        super().__init__()
 
        self.d_k = embed_size // num_heads
        self.num_heads = num_heads
 
        assert self.d_k * num_heads == embed_size, (
            "embed_size (%d) must be divisible by num_heads (%d)",
            (embed_size, num_heads),
        )
 
        self.linear_q = torch.nn.Linear(embed_size, embed_size)
        self.linear_k = torch.nn.Linear(embed_size, embed_size)
        self.linear_v = torch.nn.Linear(embed_size, embed_size)
 
        self.linear_out = torch.nn.Linear(embed_size, embed_size)
 
        if simplified_attention_score:
            self.linear_pos = torch.nn.Linear(embed_size, num_heads)
 
            self.compute_att_score = self.compute_simplified_attention_score
        else:
            self.linear_pos = torch.nn.Linear(embed_size, embed_size, bias=False)
 
            self.pos_bias_u = torch.nn.Parameter(torch.Tensor(num_heads, self.d_k))
            self.pos_bias_v = torch.nn.Parameter(torch.Tensor(num_heads, self.d_k))
            torch.nn.init.xavier_uniform_(self.pos_bias_u)
            torch.nn.init.xavier_uniform_(self.pos_bias_v)
 
            self.compute_att_score = self.compute_attention_score
 
        self.dropout = torch.nn.Dropout(p=dropout_rate)
        self.attn = None
 
    def rel_shift(self, x: torch.Tensor, left_context: int = 0) -> torch.Tensor:
        """Compute relative positional encoding.
 
        Args:
            x: Input sequence. (B, H, T_1, 2 * T_1 - 1)
            left_context: Number of frames in left context.
 
        Returns:
            x: Output sequence. (B, H, T_1, T_2)
 
        """
        batch_size, n_heads, time1, n = x.shape
        time2 = time1 + left_context
 
        batch_stride, n_heads_stride, time1_stride, n_stride = x.stride()
 
        return x.as_strided(
            (batch_size, n_heads, time1, time2),
            (batch_stride, n_heads_stride, time1_stride - n_stride, n_stride),
            storage_offset=(n_stride * (time1 - 1)),
        )
 
    def compute_simplified_attention_score(
        self,
        query: torch.Tensor,
        key: torch.Tensor,
        pos_enc: torch.Tensor,
        left_context: int = 0,
    ) -> torch.Tensor:
        """Simplified attention score computation.
 
        Reference: https://github.com/k2-fsa/icefall/pull/458
 
        Args:
            query: Transformed query tensor. (B, H, T_1, d_k)
            key: Transformed key tensor. (B, H, T_2, d_k)
            pos_enc: Positional embedding tensor. (B, 2 * T_1 - 1, size)
            left_context: Number of frames in left context.
 
        Returns:
            : Attention score. (B, H, T_1, T_2)
 
        """
        pos_enc = self.linear_pos(pos_enc)
 
        matrix_ac = torch.matmul(query, key.transpose(2, 3))
 
        matrix_bd = self.rel_shift(
            pos_enc.transpose(1, 2).unsqueeze(2).repeat(1, 1, query.size(2), 1),
            left_context=left_context,
        )
 
        return (matrix_ac + matrix_bd) / math.sqrt(self.d_k)
 
    def compute_attention_score(
        self,
        query: torch.Tensor,
        key: torch.Tensor,
        pos_enc: torch.Tensor,
        left_context: int = 0,
    ) -> torch.Tensor:
        """Attention score computation.
 
        Args:
            query: Transformed query tensor. (B, H, T_1, d_k)
            key: Transformed key tensor. (B, H, T_2, d_k)
            pos_enc: Positional embedding tensor. (B, 2 * T_1 - 1, size)
            left_context: Number of frames in left context.
 
        Returns:
            : Attention score. (B, H, T_1, T_2)
 
        """
        p = self.linear_pos(pos_enc).view(pos_enc.size(0), -1, self.num_heads, self.d_k)
 
        query = query.transpose(1, 2)
        q_with_bias_u = (query + self.pos_bias_u).transpose(1, 2)
        q_with_bias_v = (query + self.pos_bias_v).transpose(1, 2)
 
        matrix_ac = torch.matmul(q_with_bias_u, key.transpose(-2, -1))
 
        matrix_bd = torch.matmul(q_with_bias_v, p.permute(0, 2, 3, 1))
        matrix_bd = self.rel_shift(matrix_bd, left_context=left_context)
 
        return (matrix_ac + matrix_bd) / math.sqrt(self.d_k)
 
    def forward_qkv(
        self, query: torch.Tensor, key: torch.Tensor, value: torch.Tensor
    ) -> Tuple[torch.Tensor, torch.Tensor, torch.Tensor]:
        """Transform query, key and value.
 
        Args:
            query: Query tensor. (B, T_1, size)
            key: Key tensor. (B, T_2, size)
            v: Value tensor. (B, T_2, size)
 
        Returns:
            q: Transformed query tensor. (B, H, T_1, d_k)
            k: Transformed key tensor. (B, H, T_2, d_k)
            v: Transformed value tensor. (B, H, T_2, d_k)
 
        """
        n_batch = query.size(0)
 
        q = (
            self.linear_q(query)
            .view(n_batch, -1, self.num_heads, self.d_k)
            .transpose(1, 2)
        )
        k = (
            self.linear_k(key)
            .view(n_batch, -1, self.num_heads, self.d_k)
            .transpose(1, 2)
        )
        v = (
            self.linear_v(value)
            .view(n_batch, -1, self.num_heads, self.d_k)
            .transpose(1, 2)
        )
 
        return q, k, v
 
    def forward_attention(
        self,
        value: torch.Tensor,
        scores: torch.Tensor,
        mask: torch.Tensor,
        chunk_mask: Optional[torch.Tensor] = None,
    ) -> torch.Tensor:
        """Compute attention context vector.
 
        Args:
            value: Transformed value. (B, H, T_2, d_k)
            scores: Attention score. (B, H, T_1, T_2)
            mask: Source mask. (B, T_2)
            chunk_mask: Chunk mask. (T_1, T_1)
 
        Returns:
           attn_output: Transformed value weighted by attention score. (B, T_1, H * d_k)
 
        """
        batch_size = scores.size(0)
        mask = mask.unsqueeze(1).unsqueeze(2)
        if chunk_mask is not None:
            mask = chunk_mask.unsqueeze(0).unsqueeze(1) | mask
        scores = scores.masked_fill(mask, float("-inf"))
        self.attn = torch.softmax(scores, dim=-1).masked_fill(mask, 0.0)
 
        attn_output = self.dropout(self.attn)
        attn_output = torch.matmul(attn_output, value)
 
        attn_output = self.linear_out(
            attn_output.transpose(1, 2)
            .contiguous()
            .view(batch_size, -1, self.num_heads * self.d_k)
        )
 
        return attn_output
 
    def forward(
        self,
        query: torch.Tensor,
        key: torch.Tensor,
        value: torch.Tensor,
        pos_enc: torch.Tensor,
        mask: torch.Tensor,
        chunk_mask: Optional[torch.Tensor] = None,
        left_context: int = 0,
    ) -> torch.Tensor:
        """Compute scaled dot product attention with rel. positional encoding.
 
        Args:
            query: Query tensor. (B, T_1, size)
            key: Key tensor. (B, T_2, size)
            value: Value tensor. (B, T_2, size)
            pos_enc: Positional embedding tensor. (B, 2 * T_1 - 1, size)
            mask: Source mask. (B, T_2)
            chunk_mask: Chunk mask. (T_1, T_1)
            left_context: Number of frames in left context.
 
        Returns:
            : Output tensor. (B, T_1, H * d_k)
 
        """
        q, k, v = self.forward_qkv(query, key, value)
        scores = self.compute_att_score(q, k, pos_enc, left_context=left_context)
        return self.forward_attention(v, scores, mask, chunk_mask=chunk_mask)