Subword Model的兩種模型解析

之前介紹的模型都是基于詞向量的， 那么能不能換一個(gè)角度來表示語言。說英文的時(shí)候， 每個(gè)單詞都是由音節(jié)構(gòu)成的， 而人們聽到了連續(xù)的音節(jié)就可以理解其中的含義， 而音節(jié)顯然比詞粒度更細(xì)。

首先，來梳理下word-level存在的幾個(gè)問題：

需要系統(tǒng)需要極大的詞匯量;

如果遇到了不正式的拼寫， 系統(tǒng)很難進(jìn)行處理;

做翻譯問題時(shí)， 音譯姓名比較難做到。

為了解決這些問題， 一開始想到的是采用character級(jí)別的模型，即對(duì)26個(gè)字母訓(xùn)練word2vec，每個(gè)詞由其字母的embedding拼接或者求平均得到。但這種方法梯度消失（爆炸）的問題也會(huì)更嚴(yán)重。

后來，人們就想用subword模型作為character和word的折中模型。subword模型主要有兩種，它們都能解決未登錄詞（OOV）的問題。第一種是模型結(jié)構(gòu)和word模型完全一樣，只不過把word換成了subword。第二種則是word和character模型的雜交模型。

一、人類語言聲音：語音學(xué)和音系學(xué)

語音學(xué)（Phonetics）是一種非常基本的理論，只要是正常人，有著相同的人體器官和相同的發(fā)聲結(jié)構(gòu)，就會(huì)遵循著相同的發(fā)聲規(guī)則和原理。

語音體系（Phonology）是有語義的聲音的合集，各國(guó)各文明的人都會(huì)制定自己的語音體系。

音素（Phoneme）是語音中劃分出來的最小的語音單位，分為元音和輔音

國(guó)際音標(biāo)（由音素構(gòu)成）按理來說可以表示所有的語音，但是會(huì)發(fā)現(xiàn)好多語音是沒有語義的，這時(shí)我們采取的辦法就是看音素的下一級(jí)（part of words）。

詞法學(xué)：一個(gè)n-grams的代替方案。在基于單詞的模型中存在一些問題：需要處理很大的詞匯表，在英語中單詞只要變個(gè)形態(tài)就是另一個(gè)單詞了，比如說：gooooood bye

二、字符級(jí)模型（Character-LevelModels）

通常針對(duì)字符級(jí)的模型有兩種處理思路：一種是把原有的詞向量分解處理，一種是把連接的語言分解成字符。

單詞嵌入可以由字符嵌入表示：

能為不知道的單詞生成嵌入

相似的拼寫有相似的嵌入

解決了oov問題

這兩種方法都被證明是成功的。后續(xù)也有很多的工作使用字符級(jí)的模型來解決NMT任務(wù)。但這些任務(wù)有一些共同的缺點(diǎn)，由于從單詞替換成字符導(dǎo)致處理的序列變長(zhǎng)，速度變慢；由于序列變長(zhǎng)，數(shù)據(jù)變得稀疏，數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系的距離變大，不利于學(xué)習(xí)。于是2017年，Jason等人發(fā)表了論文Fully Character-Level Neural MachineTranslation without Explicit Segmentation 解決了這些問題。

論文的模型結(jié)構(gòu)如圖所示：

首先是對(duì)輸入的character首先做一個(gè)embedding， 然后分別與大小為3，4，5的filter進(jìn)行卷積運(yùn)算，就相當(dāng)于3-grams， 4-grams和5-grams。之后進(jìn)行max-pooling操作，相當(dāng)與選出了有語義信息的segment-embedding。之后將這些embedding送入Highway Network（相當(dāng)于resnet， 解決了深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不容易訓(xùn)練的問題）后再通過一個(gè)單層的雙向GRU，得到最終的encoder的output。之后經(jīng)過一個(gè)character-level的GRU（作為decoder）得到最終結(jié)果。

還有一篇2018年的文章（Revisiting Character-Based Neural Machine Translation with Capacity andCompression. 2018.Cherry， Foster， Bapna， Firat， Macherey， Google AI）中展示了純字符級(jí)模型的效果。此論文表明在一些復(fù)雜的語言中（比如捷克語），character級(jí)別的模型會(huì)大幅提高翻譯準(zhǔn)確率，但在較為簡(jiǎn)單的語言中（如英語法語），character級(jí)別的模型提升效果不顯著。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)在模型較小時(shí)word-level的模型效果更好，在模型較大時(shí)character-level 的效果更好。如圖所示：

總之，現(xiàn)有的character-level的模型在NMT任務(wù)上可以更好的處理OOV的問題，可以理解為我們可以學(xué)習(xí)一些字符級(jí)別的語義信息幫助我們進(jìn)行翻譯。

三、子詞模型（Sub-word models）

所謂subword，就是取一個(gè)介于字符和單詞之間成分為基本單元建立的模型。而所謂Byte Pair Encoding（一下簡(jiǎn)稱BPE），就是尋找經(jīng)常出現(xiàn)在一起的Byte對(duì)，合并成一個(gè)新的Byte加入詞匯庫中。即若給定了文本庫，若我們的初始詞匯庫包含所有的單個(gè)字符，則我們會(huì)不斷的將出現(xiàn)頻率最高的n-gram的pair作為新的n-gram加入詞匯庫中，直到達(dá)到我們的要求。

課程在這里介紹了介于word-level和char-leval之間的Sub-word models，主要一般有兩種結(jié)構(gòu)，一種是仍采用和word-level相同的結(jié)構(gòu)，只不過采用更小的單元word pieces來代替單詞；另一種是hybrid architectures， 主要部分依然是基于word， 但是其他的一些部分用characters。

Hybrid architectures：主要的模型含有單詞，一些其他的含有字符、字節(jié)對(duì)的編碼。使用的是一個(gè)壓縮算法：將大部分頻繁出現(xiàn)的字節(jié)對(duì)標(biāo)記為新的字節(jié)對(duì)。

3.1 Byte Pair Encoding（BPE）

Byte Pair Encoding，簡(jiǎn)稱BPE，是一種壓縮算法。

給定了文本庫，我們的初始詞匯庫僅包含所有的單個(gè)的字符，然后不斷的將出現(xiàn)頻率最高的n-gram pair作為新的n-gram加入到詞匯庫中，直到詞匯庫的大小達(dá)到我們所設(shè)定的某個(gè)目標(biāo)為止。如圖所示：

上述例子是，比如有一個(gè)初始的文本庫和詞匯庫。首先，可見此時(shí)出現(xiàn)頻率最高的n-gram pair是“e，s”，出現(xiàn)了9次，因此我們將“es”作為新詞加入到詞匯庫中同時(shí)更新文本庫。然后，這時(shí)詞匯庫中出現(xiàn)頻率最高的n-gram pair是“es，t”，出現(xiàn)了9次，因此我們將“est”加入詞匯庫中同時(shí)更新文本庫。依次類推，可以逐漸的通過增加新的n-gram的方式達(dá)到我們的目標(biāo)。對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中有很多詞匯量非常大的task，這種通過BPE逐步建立詞匯庫的方式就顯得非常有用了。

使用這種方法可以自動(dòng)生成vocab。

谷歌的NMT模型有兩個(gè)版本，版本一采用的是BPE模型，版本二對(duì)BPE模型進(jìn)行了改進(jìn)，稱為wordpiece mode。這種方法不在使用n-gram的計(jì)算來算，而是使用搜索算法搜索最大化的該語言模型的片段去選擇pieces。

另外還有一種模型叫sentencepiece，它直接從raw text中獲取，同時(shí)把空格視為一種特殊的token（_）

課程介紹了幾篇在這方面發(fā)展的論文，有用Character-level去產(chǎn)生詞向量的（LearningCharacter-level Representations for Part-of Speech Tagging），還有用char-level結(jié)合high-way網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行機(jī)器翻譯的。

課程分析用char-level得到詞向量的特點(diǎn)，經(jīng)由他們直接輸出的word-embedding更傾向于在形狀上相似，輸入high-way之后，形狀上的相似會(huì)朝含義上的相似發(fā)展。如圖所示：

使用char-level的可以輕易解決，此沒有出現(xiàn)在詞庫的情況，如圖所示：

四、混合字符和詞級(jí)模型

4.1 Hybrid NMT

核心思想：大部分時(shí)候都使用word-level的模型來做translate，只有在遇到rare or unseen的words的時(shí)候才會(huì)使用character-level的模型協(xié)助。這種做法產(chǎn)生了非常好的效果。

混合模型即兩種方式并存的模型，在正常處理時(shí)采用word-level的模型，當(dāng)出現(xiàn)奇怪的詞的后，使用char-level級(jí)的模型。

一篇論文的結(jié)構(gòu)如圖所示：

可以看到輸入未知的單詞時(shí)，采用char-level進(jìn)行編碼，輸出《 unk 》時(shí)也采用char-level級(jí)的進(jìn)行解碼。同時(shí)訓(xùn)練跟beam-search也時(shí)要同時(shí)對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

4.2 Chars for word embeddings

采用subword的方式長(zhǎng)生詞向量，課程中提到了FastText。主要思路如圖所示：

字符的卷積來生成詞嵌入

使用pos標(biāo)記固定的窗口

五、FastText

使用n-grams和整個(gè)單詞來代表單詞。我們知道在word2vec方法中我們基于word-level的模型來得到每一個(gè)單詞的embedding，但是對(duì)于含有許多OOV單詞的文本庫word2vec的效果并不好。由此很容易聯(lián)想到，如果將subword的思想融入到word2vec中是不是會(huì)產(chǎn)生更好的效果呢？

FastText embeddings是一個(gè)word2vec like embedding。用where舉例， 它把單詞表示成了： “where = 《wh， whe， her，ere， re》， 《where》”這樣的形式。 注意這里的“《》”符號(hào)是表達(dá)了開始和結(jié)束。 這樣就可以有效地解決OOV的問題， 并且速度依然很快。

然后把它們加起來：

于是，就可以使用原有的word2vec算法來訓(xùn)練得到對(duì)應(yīng)單詞的embedding。其保證了算法速度快的同時(shí)，解決了OOV的問題，是很好的算法。

5.1 FastText和word2vec的區(qū)別

1. 相似處：

圖模型結(jié)構(gòu)很像，都是采用embedding向量的形式，得到word的隱向量表達(dá)。

都采用很多相似的優(yōu)化方法，比如使用Hierarchicalsoftmax優(yōu)化訓(xùn)練和預(yù)測(cè)中的打分速度。

2. 不同處：

模型的輸出層：word2vec的輸出層，對(duì)應(yīng)的是每一個(gè)term，計(jì)算某term的概率最大；而fasttext的輸出層對(duì)應(yīng)的是分類的label。不過不管輸出層對(duì)應(yīng)的是什么內(nèi)容，起對(duì)應(yīng)的vector都不會(huì)被保留和使用。

模型的輸入層：word2vec的輸出層，是 context window 內(nèi)的term；而fasttext 對(duì)應(yīng)的整個(gè)sentence的內(nèi)容，包括term，也包括 n-gram的內(nèi)容。

3. 兩者本質(zhì)的不同，體現(xiàn)在 h-softmax的使用：

Word2vec的目的是得到詞向量，該詞向量 最終是在輸入層得到，輸出層對(duì)應(yīng)的 h-softmax也會(huì)生成一系列的向量，但最終都被拋棄，不會(huì)使用。

fastText則充分利用了h-softmax的分類功能，遍歷分類樹的所有葉節(jié)點(diǎn)，找到概率最大的label（一個(gè)或者N個(gè)）

FastText是一個(gè)能用淺層網(wǎng)絡(luò)取得和深度網(wǎng)絡(luò)相媲美的精度，并且分類速度極快的算法。按照作者的說法“在標(biāo)準(zhǔn)的多核CPU上，能夠訓(xùn)練10億詞級(jí)別語料庫的詞向量在10分鐘之內(nèi)，能夠分類有著30萬多類別的50多萬句子在1分鐘之內(nèi)”。但是它也有自己的使用條件，它適合類別特別多的分類問題，如果類別比較少，容易過擬合。

六、寫到最后

本文介紹了Subword Model的兩種模型。對(duì)于第一種模型，其關(guān)鍵點(diǎn)在于怎樣得到subword，在此采用BPE算法來提取高頻Subword的形式。第二種被稱為雜交模型的方法相對(duì)簡(jiǎn)單，是在文本中有這個(gè)word時(shí)就用word embedding，沒有的時(shí)候就用char embedding來學(xué)習(xí)word embedding，非常簡(jiǎn)單。