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......@@ -711,21 +711,19 @@ b &=& \omega_{\textrm{high}}\cdot |\seq{x}| \label{eq:14-4}
\section{小结与扩展阅读}
\parinterval 推断系统(或解码系统)是神经机器翻译的重要组成。在神经机器翻译研究中,单独就推断问题进行的讨论并不多见。更多的工作是将其与实践结合,常见于开源系统、评测比赛中。但是,从应用的角度看,研发高效的推断系统是机器翻译能够被大规模使用的前提。本章也从神经机器翻译推断的基本问题出发,重点探讨了推断系统的效率、非自回归翻译、多模型集成等问题。但是,由于推断问题涉及的问题十分广泛,因此本章也无法对其进行全面覆盖。有若干研究方向值得关注:
\parinterval 推断系统(或解码系统)是神经机器翻译的重要组成部分。在神经机器翻译研究中,单独就推断问题开展的讨论并不多见。更多的工作是将其与实践结合,常见于开源系统、评测比赛中。但是,从应用的角度看,研发高效的推断系统是机器翻译能够被大规模使用的前提。本章也从神经机器翻译推断的基本问题出发,重点探讨了推断系统的效率、非自回归翻译、多模型集成等问题。但是,由于推断问题涉及的问题十分广泛,因此本章也无法对其进行全面覆盖。有若干研究方向值得关注:
\begin{itemize}
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\item 机器翻译系统中的推断也借用了{\small\sffamily\bfseries{统计推断}}\index{统计推断}(Statistical Inference)\index{Statistical Inference}的概念。传统意义上讲,这类方法都是在利用样本数据去推测总体的趋势和特征。因此,从统计学的角度也有很多不同的思路。例如,贝叶斯学习等方法就在自然语言处理中得到广泛应用\upcite{Held2013AppliedSI,Silvey2018StatisticalI}。其中比较有代表性的是{\small\sffamily\bfseries{变分方法}}\index{变分方法}(Variational Methods)\index{Variational Methods}。这类方法通过引入新的隐含变量来对样本的分布进行建模,从某种意义上说它是在描述“分布的分布”,因此这种方法对事物的统计规律描述得更加细致\upcite{Beal2003VariationalAF}。这类方法也被成功地用于统计机器翻译\upcite{Li2009VariationalDF,xiao2011language,}和神经机器翻译\upcite{Bastings2019ModelingLS,Shah2018GenerativeNM,Su2018VariationalRN,Zhang2016VariationalNM}
\vspace{0.5em}
\item 推断系统也可以受益于更加高效的网络结构。这方面工作集中在结构化剪枝、减少模型的冗余计算、低秩分解等方向。结构化剪枝中的代表性工作是LayerDrop\upcite{DBLP:conf/iclr/FanGJ20,DBLP:conf/emnlp/WangXZ20,DBLP:journals/corr/abs-2002-02925},这类方法在训练时随机选择部分子结构,在推断时根据输入来选择模型中的部分层进行计算,而跳过其余层,达到加速和减少参数量的目的。有关减少冗余计算的研究主要集中在改进注意力机制上,本章正文中已经有所介绍。低秩分解则针对词向量或者注意力的映射矩阵进行改进,例如词频自适应表示\upcite{DBLP:conf/iclr/BaevskiA19},词频越高则对应的向量维度越大,反之则越小,或者层数越高注意力映射矩阵维度越小\upcite{DBLP:journals/corr/abs-2006-04768,DBLP:journals/corr/abs-1911-12385,DBLP:journals/corr/abs-1906-09777,DBLP:conf/nips/YangLSL19}。在实践中比较有效的是较深的编码器与较浅的解码器结合的方式,极端情况下解码器仅使用1层神经网络即可取得与多层神经网络相媲美的翻译精度,而极大地提升翻译效率\upcite{DBLP:journals/corr/abs-2006-10369,DBLP:conf/aclnmt/HuLLLLWXZ20,DBLP:journals/corr/abs-2010-02416}。在{\chapterfifteen}还会进一步对高效神经机器翻译的模型结构进行讨论。
\item 推断系统也可以受益于更加高效的网络结构。这方面工作集中在结构化剪枝、减少模型的冗余计算、低秩分解等方向。结构化剪枝中的代表性工作是LayerDrop\upcite{DBLP:conf/iclr/FanGJ20,DBLP:conf/emnlp/WangXZ20,DBLP:journals/corr/abs-2002-02925},这类方法在训练时随机选择部分子结构,在推断时根据输入来选择模型中的部分层进行计算,而跳过其余层,达到加速和减少参数量的目的。有关减少冗余计算的研究主要集中在改进注意力机制上,本章中已经有所介绍。低秩分解则针对词向量或者注意力的映射矩阵进行改进,例如词频自适应表示\upcite{DBLP:conf/iclr/BaevskiA19},词频越高则对应的向量维度越大,反之则越小,或者层数越高注意力映射矩阵维度越小\upcite{DBLP:journals/corr/abs-2006-04768,DBLP:journals/corr/abs-1911-12385,DBLP:journals/corr/abs-1906-09777,DBLP:conf/nips/YangLSL19}。在实践中比较有效的是较深的编码器与较浅的解码器结合的方式,极端情况下解码器仅使用1层神经网络即可取得与多层神经网络相媲美的翻译精度,而极大地提升翻译效率\upcite{DBLP:journals/corr/abs-2006-10369,DBLP:conf/aclnmt/HuLLLLWXZ20,DBLP:journals/corr/abs-2010-02416}。在{\chapterfifteen}还会进一步对高效神经机器翻译的模型结构进行讨论。
\vspace{0.5em}
\item 在对机器翻译推断系统进行实际部署时,对存储的消耗也是需要考虑的因素。因此如何让模型变得更小也是研发人员所关注的方向。当前的模型压缩方法主要可以分为几类:剪枝、量化、知识蒸馏和轻量方法,其中轻量方法主要是更轻量模型结构的设计,这类方法已经在上文进行了介绍。剪枝主要包括权重大小剪枝\upcite{Han2015LearningBW,Lee2019SNIPSN,Frankle2019TheLT,Brix2020SuccessfullyAT}面向多头注意力的剪枝\upcite{Michel2019AreSH,DBLP:journals/corr/abs-1905-09418}、网络层以及其他部分的剪枝等\upcite{Liu2017LearningEC,Liu2019RethinkingTV},还有一些方法也通过在训练期间采用正则化的方式来提升剪枝能力\upcite{DBLP:conf/iclr/FanGJ20}。量化方法主要通过截断浮点数来减少模型的存储大小,使其仅使用几个比特位的数字表示方法便能存储整个模型,虽然会导致舍入误差,但压缩效果显著\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1906-00532,Cheong2019transformersZ,Banner2018ScalableMF,Hubara2017QuantizedNN}。一些方法利用知识蒸馏手段还将Transformer模型蒸馏成如LSTMs 等其他各种推断速度更快的架构\upcite{DBLP:journals/corr/HintonVD15,Munim2019SequencelevelKD,Tang2019DistillingTK}。另外还有一些其他方法不仅在输出上,还在权重矩阵和隐藏的激活层上对“教师模型”知识进行更深入的挖掘\upcite{Jiao2020TinyBERTDB}
\item 在对机器翻译推断系统进行实际部署时,对存储的消耗也是需要考虑的因素。因此如何让模型变得更小也是研发人员所关注的方向。当前的模型压缩方法主要可以分为几类:剪枝、量化、知识蒸馏和轻量方法,其中轻量方法主要是基于更轻量模型结构的设计,这类方法已经在上文进行了介绍。剪枝主要包括权重大小剪枝\upcite{Han2015LearningBW,Lee2019SNIPSN,Frankle2019TheLT,Brix2020SuccessfullyAT}面向多头注意力的剪枝\upcite{Michel2019AreSH,DBLP:journals/corr/abs-1905-09418}、网络层以及其他部分的剪枝等\upcite{Liu2017LearningEC,Liu2019RethinkingTV},还有一些方法也通过在训练期间采用正则化的方式来提升剪枝能力\upcite{DBLP:conf/iclr/FanGJ20}。量化方法主要通过截断浮点数来减少模型的存储大小,使其仅使用几个比特位的数字表示方法便能存储整个模型,虽然会导致舍入误差,但压缩效果显著\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1906-00532,Cheong2019transformersZ,Banner2018ScalableMF,Hubara2017QuantizedNN}。一些方法利用知识蒸馏手段还将Transformer模型蒸馏成如LSTMs 等其他各种推断速度更快的架构\upcite{DBLP:journals/corr/HintonVD15,Munim2019SequencelevelKD,Tang2019DistillingTK}。另外还有一些其他方法不仅在输出上,还在权重矩阵和隐藏的激活层上对“教师模型”知识进行更深入的挖掘\upcite{Jiao2020TinyBERTDB}
\vspace{0.5em}
\item 目前的翻译模型使用交叉熵损失作为优化函数,这在自回归模型上取得了非常优秀的性能。交叉熵是一个严格的损失函数,预测时位置错误的单词都会受到惩罚,即使是编辑距离很小的输出序列。回归模型会避免这种惩罚,因为单词是根据句子前一个词来生成的,而非自回归模型无法获知这个信息。为此,一些研究工作通过改进损失函数来提高非自回归模型的性能。一种做法使用对齐交叉熵函数\upcite{Ghazvininejad2020AlignedCE},其基于标签序列和译文单词分布预测序列之间的对齐来计算交叉熵损失,采用动态规划的方法寻找单调对齐使交叉熵损失最小化。也可以使用基于$n$-gram的训练目标\upcite{Shao2020MinimizingTB},希望能最小化模型与参考译文间$n$-gram的差异。该训练目标在$n$-gram的层面上评估预测结果,因此能够建模序列依赖关系。
\vspace{0.5em}
\item 自回归模型预测目标句时,当前词的生成是以之前已生成的词作为条件的,已生成词提供了较强的目标端上下文信息。然而,非自回归模型并行地生成所有词,因此不存在这样的信息。与自回归模型相比,非自回归模型的解码器需要在信息更少的情况下执行翻译任务。因此很多做法通过给非自回归模型的解码器端引入更多的信息,来降低模型的搜索空间。一些研究工作通过将条件随机场引入非自回归模型中来对结构依赖进行建模\upcite{Ma2019FlowSeqNC}。也有工作引入了一个词嵌入转换矩阵来将源端的词嵌入转换为目标端的词嵌入来增强解码端的输入\upcite{Guo2019NonAutoregressiveNM}。此外,研究人员也提出了轻量级的重排序模块来显式地
建模重排序信息,以指导非自回归模型的解码\upcite{Ran2019GuidingNN}
\item 自回归模型预测目标句时,当前词的生成是以之前已生成的词作为条件的,已生成词提供了较强的目标端上下文信息。然而,非自回归模型并行地生成所有词,因此不存在这样的信息。与自回归模型相比,非自回归模型的解码器需要在信息更少的情况下执行翻译任务。因此很多做法通过给非自回归模型的解码器端引入更多的信息,来降低模型的搜索空间。一些研究工作通过将条件随机场引入非自回归模型中来对结构依赖进行建模\upcite{Ma2019FlowSeqNC}。也有工作引入了一个词嵌入转换矩阵来将源端的词嵌入转换为目标端的词嵌入,进而强化解码端输入的表示结果\upcite{Guo2019NonAutoregressiveNM}。此外,研究人员也提出了轻量级的重排序模块,以提升非自回归模型的解码效果\upcite{Ran2019GuidingNN}
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
......
......@@ -3,7 +3,7 @@
\tikzstyle{every node}=[scale=1]
\node(x)[]{x};
\node(encoder)[coder, above of = x,yshift=4em]{{编码器}};
\node(decoder_left)[coder, above of = encoder, yshift=6em,fill=blue!25]{{解码器}};
\node(decoder_left)[coder, above of = encoder, yshift=6em,fill=ugreen!25]{{解码器}};
\node(y_hat)[above of = decoder_left, yshift=4em]{{$\rm y'$}};
\node(y)[above of = decoder_left, xshift=-6em]{{$\rm y$}};
\node(decoder_right)[coder, above of = encoder, xshift=11em,fill=yellow!25]{{解码器}};
......
......@@ -21,7 +21,7 @@
\draw [very thick,rounded corners=10pt]([xshift=-2.2cm,yshift=-1cm]process_1.center)--([xshift=-1.8cm,yshift=1cm]process_1.center)--([xshift=-1.4cm,yshift=0cm]process_1.center)--([xshift=-1.1cm,yshift=0.8cm]process_1.center)--([xshift=-0.8cm,yshift=-0.4cm]process_1.center)--([xshift=-0.5cm,yshift=0.4cm]process_1.center);
\draw [->,very thick]([xshift=-0.3cm]process_1.center)to([xshift=0.3cm]process_1.center);
\draw [very thick,rounded corners=10pt,densely dotted]([xshift=0.5cm,yshift=-1cm]process_1.center)--([xshift=0.9cm,yshift=1cm]process_1.center)--([xshift=1.3cm,yshift=0cm]process_1.center)--([xshift=1.6cm,yshift=0.8cm]process_1.center)--([xshift=1.9cm,yshift=-0.4cm]process_1.center)--([xshift=2.2cm,yshift=0.4cm]process_1.center);
\node(process_2)[process,right of = process_1,xshift=6.6cm]{};
\node(process_2)[process,fill=ugreen!20,right of = process_1,xshift=6.6cm]{};
\node(text_2)[below of = process_2,yshift=-2cm,scale=1.3]{量化};
\draw [very thick,rounded corners=10pt,densely dotted]([xshift=-2.2cm,yshift=-1cm]process_2.center)--([xshift=-1.8cm,yshift=1cm]process_2.center)--([xshift=-1.4cm,yshift=0cm]process_2.center)--([xshift=-1.1cm,yshift=0.8cm]process_2.center)--([xshift=-0.8cm,yshift=-0.4cm]process_2.center)--([xshift=-0.5cm,yshift=0.4cm]process_2.center);
\draw [->,very thick]([xshift=-0.3cm]process_2.center)to([xshift=0.3cm]process_2.center);
......
......@@ -7,9 +7,9 @@
\draw[-,thick]([xshift=-1.2cm]process_1.center)--([xshift=1.2cm]process_1.center);
\draw[-,thick]([xshift=-1cm,yshift=-0.8cm]process_1.center)--([xshift=-0.9cm,yshift=0.4cm]process_1.center)--([xshift=-0.8cm,yshift=-0.3cm]process_1.center)--([xshift=-0.7cm,yshift=0.7cm]process_1.center)--([xshift=-0.6cm,yshift=-0.1cm]process_1.center)--([xshift=-0.5cm,yshift=0.3cm]process_1.center)--([xshift=-0.4cm,yshift=-0.5cm]process_1.center)--([xshift=-0.3cm,yshift=0.7cm]process_1.center)--([xshift=-0.2cm,yshift=-0.2cm]process_1.center)--([xshift=-0.1cm,yshift=0.4cm]process_1.center)--([xshift=0cm,yshift=-0.9cm]process_1.center)--([xshift=0.1cm,yshift=0.5cm]process_1.center)--([xshift=0.2cm,yshift=-0.4cm]process_1.center)--([xshift=0.3cm,yshift=0.3cm]process_1.center)--([xshift=0.4cm,yshift=-0.2cm]process_1.center)--([xshift=0.5cm,yshift=0.1cm]process_1.center)--([xshift=0.6cm,yshift=-0.8cm]process_1.center)--([xshift=0.7cm,yshift=0.4cm]process_1.center)--([xshift=0.8cm,yshift=-0.6cm]process_1.center)--([xshift=0.9cm,yshift=0.7cm]process_1.center)--([xshift=1cm,yshift=-0.2cm]process_1.center);
\node(text_1)[below of = process_1,yshift=-2cm,scale=1.5]{语音信号};
\node(process_2)[process,right of = process_1,xshift=7.0cm,text width=4cm,align=center]{\baselineskip=4pt\LARGE{[[0.2,...,0.3], \qquad ..., \qquad 0.3,...,0.5]]}\par};
\node(process_2)[process,fill=blue!20,right of = process_1,xshift=7.0cm,text width=4cm,align=center]{\baselineskip=4pt\LARGE{[[0.2,...,0.3], \qquad ..., \qquad 0.3,...,0.5]]}\par};
\node(text_2)[below of = process_2,yshift=-2cm,scale=1.5]{语音特征};
\node(process_3)[process,,minimum width=6cm,minimum height=5cm,right of = process_2,xshift=8.2cm,text width=4cm,align=center]{};
\node(process_3)[process,fill=orange!20,minimum width=6cm,minimum height=5cm,right of = process_2,xshift=8.2cm,text width=4cm,align=center]{};
\node(text_3)[below of = process_3,yshift=-3cm,scale=1.5]{源语文本及其词格};
\node(cir_s)[cir,very thick, below of = process_3,xshift=-2.2cm,yshift=1.1cm]{\LARGE S};
\node(cir_a)[cir,right of = cir_s,xshift=1cm,yshift=0.8cm]{\LARGE a};
......@@ -33,7 +33,7 @@
\node(text)[below of = process_3,yshift=-1.8cm,scale=1.8]{你是谁};
\node(process_4)[process,right of = process_3,xshift=8.2cm,text width=4cm,align=center]{\Large\textbf{Who are you?}};
\node(process_4)[process,fill=ugreen!20,right of = process_3,xshift=8.2cm,text width=4cm,align=center]{\Large\textbf{Who are you?}};
\node(text_4)[below of = process_4,yshift=-2cm,scale=1.5]{翻译译文};
\draw[->,very thick](process_1.east)to(process_2.west);
......
......@@ -4,7 +4,7 @@
\begin{tikzpicture}[node distance = 0,scale = 1]
\tikzstyle{every node}=[scale=1]
\node [anchor=center](ori) at (-0.2,-0.2) {$O$};
\draw[->,thick](-0.5,0)--(5,0)node[below]{$t$};
\draw[->,thick](-0.5,0)--(5,0)node[below,scale=0.8]{时间};
\draw[->,thick](0,-2)--(0,2)node[left,scale=0.8]{量化值};
\draw[-,thick](0,0)sin(0.7,1.5)cos(1.4,0)sin(2.1,-1.5)cos(2.8,0)sin(3.5,1.5)cos(4.2,0);
\draw[-,thick,dashed](0.5,-1.8)--(0.5,1.8);
......
......@@ -36,11 +36,11 @@
\node[draw,thick,rounded corners=2pt,densely dashed,inner ysep=1.2em,inner xsep=0.4em,label={above:图像特征向量}][fit=(h2_1)(h2_2)(h2_n)](box2){};
\end{pgfonlayer}
\node[anchor=west,draw,rounded corners=2pt,fill=blue!20,minimum height=2.2em,minimum width=4.3em] (decoder1)at ([xshift=3em]box1.east){解码器};
\node[anchor=west,draw,rounded corners=2pt,fill=red!20,minimum height=2.2em,minimum width=4.3em] (decoder1)at ([xshift=3em]box1.east){解码器};
\node[anchor=west,draw,circle,inner sep=0pt,minimum size=1.4em] (add)at ([xshift=2em,yshift=1.6em]box2.east){};
\draw[] (add.0) -- (add.180);
\draw[] (add.90) -- (add.-90);
\node[anchor=west,draw,rounded corners=2pt,fill=blue!20,minimum height=2.2em,minimum width=4.3em] (decoder2)at ([xshift=6em]box2.east){解码器};
\node[anchor=west,draw,rounded corners=2pt,fill=red!20,minimum height=2.2em,minimum width=4.3em] (decoder2)at ([xshift=6em]box2.east){解码器};
\draw[->,thick] ([xshift=-2.7em]cnn1.180) -- ([xshift=-0.1em]cnn1.180);
......
......@@ -94,10 +94,10 @@
\node [draw,single arrow,minimum height=2.4em,single arrow head extend=0.4em] (arrow3) at ([xshift=-2.4em,yshift=-1.5em]A4) {};
\node [draw,single arrow,minimum height=2.4em,single arrow head extend=0.4em] (arrow4) at ([xshift=-2.5em,yshift=-1.5em]A5) {};
\node[anchor=north,font=\small,scale=1.5] at ([yshift=-6em]arrow1.south){(a)多模态机器翻译};
\node[anchor=north,font=\small,scale=1.5] at ([yshift=-6em]arrow2.south){(b)图像到文本翻译};
\node[anchor=north,font=\small,scale=1.5] at ([yshift=-6em]arrow3.south){(c)图像到图像翻译};
\node[anchor=north,font=\small,scale=1.5] at ([yshift=-6em]arrow4.south){(d)文本到图像翻译};
\node[anchor=north,font=\small,scale=1.5] at ([yshift=-6em]arrow1.south){(a) 多模态机器翻译};
\node[anchor=north,font=\small,scale=1.5] at ([yshift=-6em]arrow2.south){(b) 图像到文本翻译};
\node[anchor=north,font=\small,scale=1.5] at ([yshift=-6em]arrow3.south){(c) 图像到图像翻译};
\node[anchor=north,font=\small,scale=1.5] at ([yshift=-6em]arrow4.south){(d) 文本到图像翻译};
\end{tikzpicture}
%------------------------------------------------------------------------------------------------------------
......@@ -29,7 +29,7 @@
\node[draw,anchor=south,rounded corners=2pt,minimum width=4.0cm,minimum height=2.2em,fill=red!20](encoder) at ([yshift=2.6em,xshift=2.2em]cnn1.north){编码器};
\node[anchor=north,font=\Large](x) at ([xshift=2.5em,yshift=-3.4em]encoder.south){$\seq{x}$};
\node[draw,anchor=south,rounded corners=2pt,minimum width=4.0cm,minimum height=2.2em,fill=blue!20](decoder) at ([yshift=2.6em,xshift=2.2em]cnn2.north){解码器};
\node[draw,anchor=south,rounded corners=2pt,minimum width=4.0cm,minimum height=2.2em,fill=ugreen!20](decoder) at ([yshift=2.6em,xshift=2.2em]cnn2.north){解码器};
\node[anchor=north,font=\Large](y) at ([xshift=2.5em,yshift=-3.4em]decoder.south){$\seq{y}$};
\node[anchor=south,font=\Large](y_1) at ([yshift=3em]decoder.north){$\seq{y}'$};
......
......@@ -2,16 +2,16 @@
\begin{tikzpicture}[node distance = 0,scale = 0.9]
\tikzstyle{every node}=[scale=0.9]
\node(figure)[draw=white,scale=0.4] {\includegraphics[width=0.62\textwidth]{./Chapter17/Figures/figure-bank-without-attention.png}};
\node(river)[word, right of = figure, xshift=5cm, yshift=0.35cm, fill=blue!45]{river};
\node(mountain)[word, above of = river, yshift=0.75cm, fill=blue!45]{mountain};
\node(child)[word, above of = mountain, yshift=0.75cm, fill=blue!15]{child};
\node(man)[word, above of = child, yshift=0.75cm, fill=blue!25]{man};
\node(jump)[word, below of = river, yshift=-0.75cm, fill=blue!30]{jump};
\node(bank)[word, below of = jump, yshift=-0.75cm, fill=blue!65]{bank};
\node(sky)[word, below of = bank, yshift=-0.75cm, fill=blue!30]{sky};
\node(tree)[word, below of = sky, yshift=-0.75cm, fill=blue!15]{tree};
\node(river)[word, right of = figure, xshift=5cm, yshift=0.35cm, fill=ugreen!45]{river};
\node(mountain)[word, above of = river, yshift=0.75cm, fill=ugreen!45]{mountain};
\node(child)[word, above of = mountain, yshift=0.75cm, fill=ugreen!15]{child};
\node(man)[word, above of = child, yshift=0.75cm, fill=ugreen!25]{man};
\node(jump)[word, below of = river, yshift=-0.75cm, fill=ugreen!30]{jump};
\node(bank)[word, below of = jump, yshift=-0.75cm, fill=ugreen!65]{bank};
\node(sky)[word, below of = bank, yshift=-0.75cm, fill=ugreen!30]{sky};
\node(tree)[word, below of = sky, yshift=-0.75cm, fill=ugreen!15]{tree};
\node(cir)[circle,thick, minimum width=0.6cm, xshift=8cm, draw=black]{};
\node(decoder)[rectangle, rounded corners, minimum height=2.2em,minimum width=4.3em, right of = cir,xshift=3cm, draw=black, fill=blue!25]{\large{解码器}};
\node(decoder)[rectangle, rounded corners, minimum height=2.2em,minimum width=4.3em, right of = cir,xshift=3cm, draw=black, fill=ugreen!25]{\large{解码器}};
\node(yn_1)[below of = decoder,yshift=-2cm,scale=1.2]{$\rm y_{n-1}$};
\node(yn_2)[above of = decoder,yshift=2cm,scale=1.2]{$\rm y'_{n-1}$(bank)};
......@@ -22,12 +22,12 @@
\draw[->, thick](yn_1)to([yshift=-0.1cm]decoder.south);
\draw[->, thick]([yshift=0.1cm]decoder.north)to(yn_2);
\draw[->, thick, color=blue!45]([xshift=0.05cm]river.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=blue!45]([xshift=0.05cm]mountain.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=blue!15]([xshift=0.05cm]child.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=blue!25]([xshift=0.05cm]man.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=blue!30]([xshift=0.05cm]jump.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, very thick, color=blue!65]([xshift=0.05cm]bank.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=blue!30]([xshift=0.05cm]sky.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=blue!15]([xshift=0.05cm]tree.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=ugreen!45]([xshift=0.05cm]river.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=ugreen!45]([xshift=0.05cm]mountain.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=ugreen!15]([xshift=0.05cm]child.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=ugreen!25]([xshift=0.05cm]man.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=ugreen!30]([xshift=0.05cm]jump.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, very thick, color=ugreen!65]([xshift=0.05cm]bank.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=ugreen!30]([xshift=0.05cm]sky.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\draw[->, thick, color=ugreen!15]([xshift=0.05cm]tree.east)to([xshift=-0.05cm]cir.west);
\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file
......@@ -4,7 +4,7 @@
\tikzstyle{every node}=[scale=0.75]
\node(encoder)[coder]at (0,0){\large{编码器}};
\node(decoder_1)[coder,above of =encoder,xshift=-1.6cm,yshift=2.8cm,fill=blue!20]{\large{解码器}};
\node(decoder_1)[coder,above of =encoder,xshift=-1.6cm,yshift=2.8cm,fill=ugreen!20]{\large{解码器}};
\node(decoder_2)[coder,above of =encoder, xshift=1.6cm,yshift=2.8cm,fill=yellow!20]{\large{解码器}};
\node(s)[below of = encoder,yshift=-1.8cm,scale=1.2]{$s$};
\node(x)[above of = decoder_1,yshift=1.8cm,scale=1.2]{$x$};
......@@ -15,12 +15,12 @@
\draw[->,thick](decoder_2.north)to(y.south);
\draw[->,thick](encoder.north)--([yshift=0.7cm]encoder.north)--([xshift=-4.16em,yshift=0.7cm]encoder.north)--(decoder_1.south);
\draw[->,thick](encoder.north)--([yshift=0.7cm]encoder.north)--([xshift=4.16em,yshift=0.7cm]encoder.north)--(decoder_2.south);
\node [anchor=north,scale = 1.2](pos1) at (s.south) {(a) 单编码器-双解码器方式};
\node [anchor=north,scale = 1.2](pos1) at (s.south) {(a) 单编码器-双解码器};
\node [anchor=south,scale=1.2] (node1) at ([xshift=-2.0em,yshift=6em]decoder_1.north) {{$x,y$:语言数据}};
\node [anchor=north,scale=1.2] (node2) at ([xshift=0.6em]node1.south){{$s$:语音数据}};
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%级联
\node(encoder-2)[coder]at ([xshift=12.0em]encoder.east){\large{编码器}};
\node(decoder_1-2)[coder,above of =encoder-2,yshift=1.4cm,fill=blue!20]{\large{解码器}};
\node(decoder_1-2)[coder,above of =encoder-2,yshift=1.4cm,fill=ugreen!20]{\large{解码器}};
\node(decoder_2-2)[coder,above of =decoder_1-2, yshift=1.4cm,fill=yellow!20]{\large{解码器}};
\node(s-2)[below of = encoder-2,yshift=-1.8cm,scale=1.2]{$s$};
\node(y-2)[above of = decoder_2-2,yshift=1.8cm,scale=1.2]{$y$};
......@@ -29,10 +29,10 @@
\draw[->,thick](encoder-2.north)to(decoder_1-2.south);
\draw[->,thick](decoder_1-2.north)to(decoder_2-2.south);
\draw[->,thick](decoder_2-2.north)to(y-2.south);
\node [anchor=north,scale = 1.2](pos2) at (s-2.south) {(b) 级联编码器方式};
\node [anchor=north,scale = 1.2](pos2) at (s-2.south) {(b) 级联编码器};
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%联合
\node(encoder-3)[coder]at([xshift=10.0em]encoder-2.east){\large{编码器}};
\node(decoder_1-3)[coder,above of =encoder-3,xshift=-1.6cm,yshift=2.8cm,fill=blue!20]{\large{解码器}};
\node(decoder_1-3)[coder,above of =encoder-3,xshift=-1.6cm,yshift=2.8cm,fill=ugreen!20]{\large{解码器}};
\node(decoder_2-3)[coder,above of =encoder-3, xshift=1.6cm,yshift=2.8cm,fill=yellow!20]{\large{解码器}};
\node(s-3)[below of = encoder-3,yshift=-1.8cm,scale=1.2]{$s$};
\node(y-3)[above of = decoder_2-3,yshift=1.8cm,scale=1.2]{$y$};
......@@ -42,5 +42,5 @@
\draw[->,thick](decoder_2-3.north)to(y-3.south);
\draw[->,thick](encoder-3.north)--([yshift=0.7cm]encoder-3.north)--([xshift=-4.16em,yshift=0.7cm]encoder-3.north)--(decoder_1-3.south);
\draw[->,thick](encoder-3.north)--([yshift=0.7cm]encoder-3.north)--([xshift=4.16em,yshift=0.7cm]encoder-3.north)--(decoder_2-3.south);
\node [anchor=north,scale = 1.2](pos3) at (s-3.south) {(c) 联合编码器方式};
\node [anchor=north,scale = 1.2](pos3) at (s-3.south) {(c) 联合编码器};
\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file
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\draw[->, thick,color=black!60](figure.east)to([xshift=-0.1cm]dog.west)node[left,xshift=-0.2cm,yshift=-0.1cm,color=black]{图片检测};
\draw[->, thick,color=black!60]([yshift=-0.1cm]hat.south)to([yshift=0.1cm]ground.north)node[right,xshift=-0.2cm,yshift=0.5cm,color=black]{模板填充};
\node [anchor=north](pos1)at ([xshift=-3.8em,yshift=-0.5em]ground-1.south){(a)基于检索的图像描述生成范式};
\node [anchor=north](pos2)at ([xshift=-3.8em,yshift=-0.5em]ground.south){(b)基于模板的图像描述生成范式};
\node [anchor=north](pos1)at ([xshift=-3.8em,yshift=-0.5em]ground-1.south){(a) 基于检索的图像描述生成范式};
\node [anchor=north](pos2)at ([xshift=-3.8em,yshift=-0.5em]ground.south){(b) 基于模板的图像描述生成范式};
\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file
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\chapter{多模态、多层次机器翻译}
\parinterval 基于上下文的翻译是机器翻译的一个重要分支。传统方法中,机器翻译通常被定义为对一个句子进行翻译的问题。但是,现实中每句话往往不是独立出现的。比如,人们会使用语音进行表达,或者通过图片来传递信息,这些语音和图片内容都可以伴随着文字一起出现在翻译场景中。此外,句子往往存在于段落或者篇章之中,如果要理解这个句子,也需要整个段落或者篇章的信息。而这些上下文都是机器翻译可以利用的。
\parinterval 基于上下文的翻译是机器翻译的一个重要分支。传统方法中,机器翻译通常被定义为对一个句子进行翻译的问题。但是,现实中每句话往往不是独立出现的。比如,人们会使用语音进行表达,或者通过图片来传递信息,这些语音和图片内容都可以伴随着文字一起出现在翻译场景中。此外,句子往往存在于段落或者篇章之中,如果要理解这个句子,也需要整个段落或者篇章的信息。而这些上下文信息都是机器翻译可以利用的。
\parinterval 本章在句子级翻译的基础上将问题扩展为更大上下文中的翻译,具体包括:图像翻译、语音翻译、篇章翻译三个主题。这些问题均为机器翻译应用中的真实需求。同时,使用多模态等信息也是当下自然语言处理的热点方向之一。
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\section{机器翻译需要更多的上下文}
\parinterval 长期以来,机器翻译的任务都是指句子级翻译。主要原因在于,句子级的翻译建模可以大大简化问题,使得机器翻译方法更容易进行实践和验证。但是人类使用语言的过程并不是孤立在一个个句子上进行的。这个问题可以类比于我们学习语言的过程:小孩成长过程中会接受视觉、听觉、触觉等多种信号,这些信号的共同作用使得他们产生对客观世界的“认识”,同时促使其使用“语言”进行表达。从这个角度说,语言能力并不是由单一因素形成的,它往往伴随着其他信息的相互作用,比如,当我们翻译一句话的时候,会用到看到的画面、听到的语调、甚至前面说过句子中的信息。
\parinterval 长期以来,机器翻译的任务都是指句子级翻译。主要原因在于,句子级的翻译建模可以大大简化问题,使得机器翻译方法更容易实践和验证。但是人类使用语言的过程并不是孤立在一个个句子上进行的。这个问题可以类比于我们学习语言的过程:小孩成长过程中会接受视觉、听觉、触觉等多种信号,这些信号的共同作用使得他们产生对客观世界的“认识”,同时促使其使用“语言”进行表达。从这个角度说,语言能力并不是由单一因素形成的,它往往伴随着其他信息的相互作用,比如,当我们翻译一句话的时候,会用到看到的画面、听到的语调、甚至前面说过句子中的信息。
\parinterval 从广义上讲,当前句子以外的信息都可以被看作是一种上下文。比如,图\ref{fig:17-1}中,需要把英语句子“A medium sized child jumps off a dusty bank”翻译为汉语。但是,其中的“bank”有多个含义,因此仅仅使用英语句子本身的信息可能会将其翻译为“银行”,而非正确的译文“河床”。但是,图\ref{fig:17-1}中也提供了这个英语句子所对应的图片,显然图片中直接展示了河床,这时“bank”是没有歧义的。通常也会把这种使用图片和文字一起进行机器翻译的任务称作{\small\bfnew{多模态机器翻译}}\index{多模态机器翻译}(Multi-Modal Machine Translation)\index{Multi-Modal Machine Translation}
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\parinterval 经过上面的描述可以看出,音频的表示实际上是一个非常长的采样点序列,这导致了直接使用现有的深度学习技术处理音频序列较为困难。并且,原始的音频信号中可能包含着较多的噪声、环境声或冗余信息,也会对模型产生干扰。因此,一般会对音频序列进行处理来提取声学特征,具体为将长序列的采样点序列转换为短序列的特征向量序列,再用于下游系统模块。虽然已有一些工作不依赖特征提取,直接在原始的采样点序列上进行声学建模和模型训练\upcite{DBLP:conf/interspeech/SainathWSWV15},但目前的主流方法仍然是基于声学特征进行建模\upcite{DBLP:conf/icassp/MohamedHP12}
\parinterval 声学特征提取的第一步是预处理。其流程主要是对音频进行预加重、分帧和加窗。预加重用来提升音频信号中的高频部分,目的是使频谱更加平滑。分帧(原理如图\ref{fig:17-3})是基于短时平稳假设,即根据生物学特征,语音信号是一个缓慢变化的过程,10ms$\thicksim$30ms的信号片段是相对平稳的。基于这个假设,一般将每25ms作为一帧来提取特征,这个时间称为{\small\bfnew{帧长}}\index{帧长}(Frame Length)\index{Frame Length}。同时,为了保证不同帧之间的信号平滑性,使每两个相邻帧之间存在一定的重合部分。一般每隔10ms取一帧,这个时长称为{\small\bfnew{帧移}}\index{帧移}(Frame Shift)\index{Frame Shift}。为了缓解分帧带来的频谱泄漏,对每帧的信号进行加窗处理使其幅度在两段渐变到0,一般采用的是{\small\bfnew{汉明窗}}\index{汉明窗}(Hamming)\index{Hamming}
\parinterval 声学特征提取的第一步是预处理。其流程主要是对音频进行预加重、分帧和加窗。预加重用来提升音频信号中的高频部分,目的是使频谱更加平滑。分帧(原理如图\ref{fig:17-3})是基于短时平稳假设,即根据生物学特征,语音信号是一个缓慢变化的过程,10ms$\thicksim$30ms的信号片段是相对平稳的。基于这个假设,一般将每25ms作为一帧来提取特征,这个时间称为{\small\bfnew{帧长}}\index{帧长}(Frame Length)\index{Frame Length}。同时,为了保证不同帧之间的信号平滑性,使每两个相邻帧之间存在一定的重合部分。一般每隔10ms取一帧,这个时长称为{\small\bfnew{帧移}}\index{帧移}(Frame Shift)\index{Frame Shift}。为了缓解分帧带来的频谱泄漏,对每帧的信号进行加窗处理使其幅度在两段渐变到0,一般采用的是{\small\bfnew{汉明窗}}\index{汉明窗}(Hamming)\index{Hamming}{\color{red} 参考文献!!!}
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\begin{figure}[htp]
\centering
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\subsection{级联式语音翻译}
\label{sec:cascaded-speech-translation}
\parinterval 实现语音翻译最简单的思路是基于级联的方式,即:先通过{\small\bfnew{自动语音识别}}\index{自动语音识别}(Automatic Speech Recognition,ASR)\index{Automatic Speech Recognition}系统将语音识别为源语言文本,然后利用机器翻译系统将源语言文本翻译为目标语言文本。这种做法的好处在于语音识别和机器翻译模型可以分别进行训练,有很多数据资源以及成熟技术可以分别运用到两个系统中。因此,级联语音翻译是很长时间以来的主流方法,深受工业界的青睐。级联语音翻译主要的流程如图\ref{fig:17-4}所示。
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\begin{figure}[htp]
\centering
\input{./Chapter17/Figures/figure-cascading-speech-translation}
\caption{级联语音翻译}
\caption{级联式语音翻译流程示例}
\label{fig:17-4}
\end{figure}
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\parinterval 由于声学特征提取在上一节中已经进行了描述,而且文本翻译可以直接使用本书介绍的统计机器翻译或者神经机器翻译。因此下面简要介绍一下语音识别模型,以便读者对级联式语音翻译系统有一个完整的认识。
\parinterval 由于声学特征提取在上一节中已经进行了描述,而且文本翻译可以直接使用本书介绍的统计机器翻译或者神经机器翻译。因此下面简要介绍一下语音识别模型,以便读者对级联式语音翻译系统有一个完整的认识。其中的部分概念在后续介绍的端到端语言翻译中也会有所涉及。
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% NEW SUBSUB-SECTION
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\subsubsection{1. 语音识别方法}
\parinterval 传统的语音识别模型和统计机器翻译相似,需要利用声学模型、语言模型和发音词典联合进行识别,系统较为复杂\upcite{DBLP:journals/ftsig/GalesY07,DBLP:journals/taslp/MohamedDH12,DBLP:journals/spm/X12a}。而近些年来,随着神经网络的发展,基于神经网络的端到端语音识别模型逐渐成为主流,大大简化了训练流程\upcite{DBLP:conf/nips/ChorowskiBSCB15,DBLP:conf/icassp/ChanJLV16}。目前的端到端语音识别模型主要基于序列到序列结构,编码器根据输入的声学特征进一步提取高级特征,解码器根据编码器提取的特征识别对应的文本。在后文中即将介绍的端到端语音翻译模型也是使用十分相似的结构。因此,从某种意义上说,语音识别和翻译的端到端方法与神经机器翻译是一致的。
\parinterval 语音识别目前广泛使用基于Transformer的模型结构(见{\chaptertwelve}),如图\ref{fig:17-5}所示。可以看出,相比文本翻译,模型结构上唯一的区别在于编码器的输入为声学特征,以及编码器底层会使用额外的卷积层来减小输入序列的长度,从而降低长序列带来的显存占用以及建模困难。由于语音对应的特征序列过长,在计算Attention的时候,会占用大量的内存/显存,从而降低计算效率,过长的序列也会增加模型训练的难度。因此,通常会先对语音特征做一个下采样,缩小语音的序列长度。目前一个常用的做法,是在输入的语音特征上进行两层步长为2的卷积操作,从而将输入序列的长度缩小为之前的1/4。通过大量的语音-标注平行数据对模型进行训练,可以得到高质量的语音识别模型。
\parinterval 语音识别目前广泛使用基于Transformer的模型结构(见{\chaptertwelve}),如图\ref{fig:17-5}所示。可以看出,相比文本翻译,模型结构上唯一的区别在于编码器的输入为声学特征,以及编码器底层会使用额外的卷积层来减小输入序列的长度,从而降低长序列带来的显存占用以及建模困难。由于语音对应的特征序列过长,在计算注意力模型的时候,会占用大量的内存/显存,从而降低计算效率,过长的序列也会增加模型训练的难度。因此,通常会先对语音特征做一个下采样,缩小语音的序列长度。目前一个常用的做法,是在输入的语音特征上进行两层步长为2的卷积操作,从而将输入序列的长度缩小为之前的1/4。通过大量的语音-标注平行数据对模型进行训练,可以得到高质量的语音识别模型。
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\begin{figure}[htp]
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\end{figure}
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% NEW SUBSUB-SECTION
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\subsubsection{2. 语音识别结果的表示}
\parinterval 级联语音翻译模型利用翻译模型将语音识别结果翻译为目标语言文本,但存在的一个问题是语音识别模型只输出One-best,其中可能存在一些识别错误,这些错误在翻译过程中会被放大,导致最终翻译结果偏离原本意思,也就是错误传播问题。传统级联语音模型的一个主要方向是丰富语音识别模型的预测结果,为翻译模型提供更多的信息,具体做法是在语音识别模型中,声学模型解码得到{\small\bfnew{词格}}\index{词格}(Word Lattice)\index{Word Lattice}来取代One-best识别结果。词格是一种有向无环图,包含单个起点和终点,图中的每条边记录了每个词和对应的转移概率信息,如图\ref{fig:17-6}所示。
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\parinterval 可以看出,词格可以保存多条搜索路径,路径中保存了输入序列的时间信息以及解码过程,翻译模型基于更丰富的词格信息进行翻译,可以降低语音识别模型带来的误差\upcite{DBLP:conf/acl/ZhangGCF19,DBLP:conf/acl/SperberNPW19}。但在端到端语音识别模型中,一般基于束搜索方法进行解码,且解码序列的长度与输入序列并不匹配,相比传统声学模型解码丢失了语音的时间信息,因此这种基于词格的方法主要集中在传统语音识别模型上和端到端文本翻译模型上。
\parinterval 为了错误传播问题带来的影响,一种思路是通过一个后处理模型修正识别结果中的错误,再送给文本翻译模型进行翻译。这一做法在工业界得到了广泛应用,但由于每个模型只能串行地计算,也会带来额外的计算代价以及运算时间。另外一种思路是训练鲁棒的文本翻译模型,使其可以处理输入中存在的噪声或误差\upcite{DBLP:conf/acl/LiuTMCZ18}。随着技术的不断发展,如何利用单个模型实现语音翻译成为了人们关注的热点,也就是端到端语音翻译,我们在下一节中进行介绍。
\parinterval 为了错误传播问题带来的影响,一种思路是通过一个后处理模型修正识别结果中的错误,再送给文本翻译模型进行翻译。这一做法在工业界得到了广泛应用,但由于每个模型只能串行地计算,也会带来额外的计算代价以及运算时间。另外一种思路是训练更加健壮的文本翻译模型,使其可以处理输入中存在的噪声或误差\upcite{DBLP:conf/acl/LiuTMCZ18}。随着技术的不断发展,如何利用单个模型实现语音翻译成为了人们关注的热点,也就是端到端语音翻译,我们在下一节中进行介绍。
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% NEW SUB-SECTION
......@@ -151,12 +164,12 @@
\vspace{0.5em}
\item 翻译效率问题。由于需要语音识别模型和文本标注模型只能串行地计算,翻译效率相对较低,而实际很多场景中都需要达到低延时的翻译。
\vspace{0.5em}
\item 语音中的副语言信息丢失。将语音识别为文本的过程中,语音中包含的语气、情感、音调等信息会丢失,而同一句话在不同的语气中表达的意思很可能是不同的,导致翻译出现偏差。尤其是在实际使用时,由于ASR的识别结果通常并不包含标点,还需要额外的后处理模型将标点还原,也会带来额外的计算代价。
\item 语音中的副语言信息丢失。将语音识别为文本的过程中,语音中包含的语气、情感、音调等信息会丢失,而同一句话在不同的语气中表达的意思很可能是不同的,导致翻译出现偏差。尤其是在实际使用时,由于语音识别结果通常并不包含标点,还需要额外的后处理模型将标点还原,也会带来额外的计算代价。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
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\parinterval 针对级联语音翻译模型存在的缺陷,研究者们提出了{\small\bfnew{端到端的语音翻译模型}}\index{端到端的语音翻译模型}(End-to-End Speech Translation, E2E-ST)\index{End-to-End Speech Translation}\upcite{DBLP:conf/naacl/DuongACBC16,DBLP:conf/interspeech/WeissCJWC17,DBLP:journals/corr/BerardPSB16},也就是模型的输入是一条语音,输出是对应的目标语言文本。相比级联模型,端到端模型有如下优点:
\parinterval 针对级联语音翻译模型存在的缺陷,研究者们提出了{\small\bfnew{端到端的语音翻译模型}}\index{端到端的语音翻译模型}(End-to-End Speech Translation, E2E-ST)\index{End-to-End Speech Translation}\upcite{DBLP:conf/naacl/DuongACBC16,DBLP:conf/interspeech/WeissCJWC17,DBLP:journals/corr/BerardPSB16},也就是模型的输入是源语言语音,输出是对应的目标语言文本。相比级联模型,端到端模型有如下优点:
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\begin{itemize}
......@@ -170,7 +183,7 @@
\end{itemize}
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\parinterval 因此,端到端模型收到了研究人员的关注。目前比较火热的,基于Transformer的语音翻译模型架构如图\ref{fig:17-7}所示(下文中语音翻译模型均指端到端的模型)。该模型采用的也是序列到序列架构,编码器的输入是从语音中提取的特征(比如FBank特征)。编码器底层采用和ASR模型相同的卷积结构来降低序列的长度。之后的流程和标准的机器翻译是完全一致的,编码器对语音特征进行编码,解码器根据编码表示生成目标语言的翻译结果。
\parinterval 因此,端到端模型受到了研究人员的关注。以Transformer模型为例,图\ref{fig:17-7}展示了端到端语音翻译的架构(下文中语音翻译模型均指端到端的模型)。该模型采用的也是序列到序列架构,编码器的输入是从语音中提取的特征(比如FBank特征)。编码器底层采用和语音识别模型相同的卷积结构来降低序列的长度(见\ref{sec:cascaded-speech-translation}节)。之后的流程和标准的神经机器翻译是完全一致的,编码器对语音特征进行编码,解码器根据编码结果生成目标语言的翻译结果。
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\begin{figure}[htp]
......@@ -186,9 +199,9 @@
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\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item 训练数据稀缺。虽然语音识别和文本翻译的训练数据都很多,但是直接由语音到翻译的数据十分有限,因此端到端语音翻译天然地就是一种低资源翻译任务。
\item 训练数据稀缺。虽然语音识别和文本翻译的训练数据都很多,但是直接由源语言语音到目标语言文本的平行数据十分有限,因此端到端语音翻译天然地就是一种低资源翻译任务。
\vspace{0.5em}
\item 建模复杂度更高。在语音识别中,模型是学习如何生成语音对应的文字序列,输入和输出的对齐比较简单,不涉及到调序的问题。在文本翻译中,学习如何生成源语言序列对应的目标语言序列,仅需要学习不同语言之间的映射,不涉及到模态的转换。而语音翻译模型需要学习从语音到目标语言文本的生成,任务更加复杂。
\item 建模复杂度更高。在语音识别中,模型是学习如何生成语音对应的文字序列,输入和输出的对齐比较简单,不涉及到调序的问题。在文本翻译中,模型要学习如何生成源语言序列对应的目标语言序列,仅需要学习不同语言之间的映射,不涉及到模态的转换。而语音翻译模型需要学习从语音到目标语言文本的生成,任务更加复杂。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
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......@@ -198,7 +211,9 @@
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\noindent{\small\bfnew{1)多任务学习}}
\parinterval 针对语音翻译模型建模复杂度较高问题,常用的一个方法是进行多任务学习,使模型在训练过程中有更多的监督信息,从而使模型收敛地更加充分。语音语言中多任务学习主要借助语音对应的标注信息,也就是源语言文本。{\small\bfnew{连接时序分类}}\index{连接时序分类}(Connectionist Temporal Classification,CTC)\index{Connectionist Temporal Classification}\upcite{DBLP:conf/icml/GravesFGS06}是语音处理中最简单有效的一种多任务学习方法\upcite{DBLP:journals/jstsp/WatanabeHKHH17,DBLP:conf/icassp/KimHW17},也被广泛应用于文本识别任务中\upcite{DBLP:journals/pami/ShiBY17}。CTC可以将输入序列的每一位置都对应到标注文本中,学习语音和文字之间的软对齐关系。比如,对于下面的音频序列,CTC可以将每个位置分别对应到同一个词。需要注意的是,CTC会额外新增一个词$\epsilon$,类似于一个空白词,表示这个位置没有声音或者没有任何对应的预测结果。然后,将相同且连续的词合并,去除$\epsilon$,就可以得到预测结果,如图\ref{fig:17-8}所示。
\parinterval 针对语音翻译模型建模复杂度较高问题,常用的一个方法是进行多任务学习,使模型在训练过程中有更多的监督信息,从而使模型收敛地更加充分。使用多个任务强化主任务(机器翻译),在本书的{\chapterfifteen}{\chaptersixteen}也有所涉及。从这个角度说,机器翻译中很多问题的解决手段都是一致的。
\parinterval 语音语言中多任务学习主要借助语音对应的标注信息,也就是源语言文本。{\small\bfnew{连接时序分类}}\index{连接时序分类}(Connectionist Temporal Classification,CTC)\index{Connectionist Temporal Classification}\upcite{DBLP:conf/icml/GravesFGS06}是语音处理中最简单有效的一种多任务学习方法\upcite{DBLP:journals/jstsp/WatanabeHKHH17,DBLP:conf/icassp/KimHW17},也被广泛应用于文本识别任务中\upcite{DBLP:journals/pami/ShiBY17}。CTC可以将输入序列的每一位置都对应到标注文本中,学习语音和文字之间的软对齐关系。比如,对于下面的音频序列,CTC可以将每个位置分别对应到同一个词。需要注意的是,CTC会额外新增一个词$\epsilon$,类似于一个空白词,表示这个位置没有声音或者没有任何对应的预测结果。然后,将相同且连续的词合并,去除$\epsilon$,就可以得到预测结果,如图\ref{fig:17-8} 所示。
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\begin{figure}[htp]
......@@ -214,14 +229,14 @@
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\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item 输入输出之间的对齐是单调的。也就是后面的输入只会预测与前面的序列相同或后面的输出内容。比如对于上面的例子,如果输入的位置t已经预测了字符l,那么t之后的位置不会再预测前面的字符h和e。
\item 输入输出之间的对齐是单调的。也就是后面的输入只会预测与前面的序列相同或后面的输出内容。比如对于\ref{fig:17-8}的例子,如果输入的位置t已经预测了字符l,那么t之后的位置不会再预测前面的字符h和e。
\vspace{0.5em}
\item 输入和输出之间是多对一的关系。也就是多个输入会对应到同一个输出上。这对于语音序列来说是非常自然的一件事情,由于输入的每个位置只包含非常短的语音特征,因此多个输入才可以对应到一个输出字符。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
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\parinterval 将CTC应用到语音翻译中的方法非常简单,只需要在编码器的顶层加上一个额外的输出层即可(图\ref{fig:17-9})。通过这种方式,不需要增加过多的额外参数,就可以给模型加入一个较强的监督信息,提高模型的收敛性
\parinterval 将CTC应用到语音翻译中的方法非常简单,只需要在编码器的顶层加上一个额外的输出层即可(图\ref{fig:17-9})。通过这种方式,不需要增加过多的额外参数,就可以给模型加入一个较强的监督信息。
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\begin{figure}[htp]
......@@ -232,7 +247,7 @@
\end{figure}
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\parinterval 另外一种多任务学习的思想是通过两个解码器,分别预测语音对应的源语言句子和目标语言句子,具体有图\ref{fig:17-10}展示的三种方式\upcite{DBLP:conf/naacl/AnastasopoulosC18,DBLP:conf/asru/BaharBN19}。图\ref{fig:17-10}(a)中采用单编码器-双解码器的方式,两个解码器根据编码器的表示,分别预测源语言句子和目标语言句子,从而使编码器训练地更加充分。这种做法的好处在于仅仅增加了训练代价,解码时只需要生成目标语言句子即可。图\ref{fig:17-10}(b)则通过使用两个级联的解码器,先利用第一个解码器生成源语言句子,然后再利用第一个解码器的表示,通过第二个解码器生成目标语言句子。这种方法通过增加一个中间输出,降低了模型的训练难度,但同时也会带来额外的解码耗时,因为两个解码器需要串行地进行生成。图\ref{fig:17-10}(c)中模型更进一步,第二个编码器联合编码器和第一个解码器的表示进行生成,更充分地利用了已有信息。
\parinterval 另外一种多任务学习的思想是通过两个解码器,分别预测语音对应的源语言句子和目标语言句子,具体有图\ref{fig:17-10}展示的三种方式\upcite{DBLP:conf/naacl/AnastasopoulosC18,DBLP:conf/asru/BaharBN19}。图\ref{fig:17-10}(a)中采用单编码器-双解码器的方式,两个解码器根据编码器的表示,分别预测源语言句子和目标语言句子,从而使编码器训练地更加充分。这种做法的好处在于源语言文的本生任务成可以辅助翻译过程,相当于为源语言语音提供了额外的“模态”信息。图\ref{fig:17-10}(b)则通过使用两个级联的解码器,先利用第一个解码器生成源语言句子,然后再利用第一个解码器的表示,通过第二个解码器生成目标语言句子。这种方法通过增加一个中间输出,降低了模型的训练难度,但同时也会带来额外的解码耗时,因为两个解码器需要串行地进行生成。图\ref{fig:17-10}(c) 中模型更进一步,第二个编码器联合编码器和第一个解码器的表示进行生成,更充分地利用了已有信息。
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\begin{figure}[htp]
\centering
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\noindent{\small\bfnew{2)迁移学习}}
\parinterval 相比语音识别和文本翻译,端到端语音翻译的训练数据量要小很多,因此,如何利用其它数据来增加可用的数据量是语音翻译的一个重要方向。和文本翻译中的方法相似,一种思路是利用迁移学习或预训练,利用其他语言的双语数据预训练模型参数,然后迁移到目标语言任务上\upcite{DBLP:conf/naacl/BansalKLLG19},或者是利用语音识别数据或文本翻译数据,分别预训练编码器和解码器参数,用于初始化语音翻译模型参数\upcite{DBLP:conf/icassp/BerardBKP18}。预训练的编码器对语音翻译模型的学习尤为重要\upcite{DBLP:conf/naacl/BansalKLLG19},相比文本数据,语音数据的复杂性更高,如果仅从小规模语音翻译数据上学习很难学习充分。此外,模型对声学特征的学习与语言并不是强相关的,在其他语种预训练的编码器对模型学习也是有帮助的。
\parinterval 相比语音识别和文本翻译,端到端语音翻译的训练数据量要小很多,因此,如何利用其它数据来增加可用的数据量是语音翻译的一个重要方向。和文本翻译中的方法相似,一种思路是利用迁移学习或预训练,利用其他语言的双语数据预训练模型参数,然后迁移到生成目标语言的任务上\upcite{DBLP:conf/naacl/BansalKLLG19},或者是利用语音识别数据或文本翻译数据,分别预训练编码器和解码器的参数,用于初始化语音翻译模型的参数\upcite{DBLP:conf/icassp/BerardBKP18}。预训练的编码器对语音翻译模型的学习尤为重要\upcite{DBLP:conf/naacl/BansalKLLG19},相比文本数据,语音数据的复杂性更高,如果仅从小规模语音翻译数据上学习很难学习充分。此外,模型对声学特征的学习与语言并不是强相关的,在其他语种预训练的编码器对模型学习也是有帮助的。
\noindent{\small\bfnew{3)数据增强}}
\parinterval 数据增强是增加训练数据最简单直观的一种方法。但是相比文本翻译中,可以利用回译的方法生成伪数据(见{\chaptersixteen})。语音翻译正向翻译模型通过源语言语音生成目标语言文本,如果直接利用回译的思想,需要通过一个模型,将目标语文本翻译为目标语语音,但实际上这种模型是不能简单得到。因此,一个简单的思路是通过一个反向翻译模型和语音合成模型级联来生成伪数据\upcite{DBLP:conf/icassp/JiaJMWCCALW19}另外,正向翻译模型生成的伪数据在文本翻译中也被验证了对模型训练有一定的帮助,因此同样可以利用语音识别和文本翻译模型,将源语言语音生成目标语言翻译,得到伪平行语料。
\parinterval 数据增强是增加训练数据最简单直观的一种方法。不同于文本翻译的回译等方法(见{\chaptersixteen}),语音翻译正向翻译模型通过源语言语音生成目标语言文本,如果直接利用回译的思想,需要通过一个模型,将目标语文本翻译为目标语语音,但实际上这种模型是不能简单得到。因此,一个简单的思路是通过一个反向翻译模型和语音合成模型级联来生成伪数据\upcite{DBLP:conf/icassp/JiaJMWCCALW19}另外,正向翻译模型生成的伪数据在文本翻译中也被验证了对模型训练有一定的帮助,因此同样可以利用语音识别和文本翻译模型,将源语言语音生成目标语言翻译,得到伪平行语料。
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\parinterval 此外,研究人员还探索了很多其他方法来提高语音翻译模型的性能。利用在海量的无标注语音数据上预训练的{\small\bfnew{自监督}}\index{自监督}(Self-supervised)\index{Self-supervised}模型作为一个特征提取器,将从语音中提取的特征作为语音翻译模型的输入,可以有效提高模型的性能\upcite{DBLP:conf/interspeech/WuWPG20}。相比语音翻译模型,文本翻译模型任务更加简单,因此一种思想是利用文本翻译模型来指导语音翻译模型,比如通过知识蒸馏\upcite{DBLP:conf/interspeech/LiuXZHWWZ19}、正则化\upcite{DBLP:conf/emnlp/AlinejadS20}等方法。为了简化语音翻译模型的学习,可以通过课程学习的策略,使模型从语音识别任务,逐渐过渡到语音翻译任务,这种由易到难的训练策略可以使模型训练更加充分\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1802-06003,DBLP:conf/acl/WangWLZY20}
\parinterval 此外,研究人员还探索了很多其他方法来提高语音翻译模型的性能。利用在海量的无标注语音数据上预训练的{\small\bfnew{自监督}}\index{自监督}(Self-supervised)\index{Self-supervised}模型作为一个特征提取器,将从语音中提取的特征作为语音翻译模型的输入,可以有效提高模型的性能\upcite{DBLP:conf/interspeech/WuWPG20}。相比语音翻译模型,文本翻译模型任务更加简单,因此一种思想是利用文本翻译模型来指导语音翻译模型,比如,使用知识蒸馏\upcite{DBLP:conf/interspeech/LiuXZHWWZ19}、正则化\upcite{DBLP:conf/emnlp/AlinejadS20}等方法。为了简化语音翻译模型的学习,可以通过课程学习的策略,使模型从语音识别任务,逐渐过渡到语音翻译任务,这种由易到难的训练策略可以使模型训练更加充分\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1802-06003,DBLP:conf/acl/WangWLZY20}
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% NEW SECTION
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\section{图像翻译}
\parinterval 人类所接受的信息中视觉信息的比重往往不亚于语言信息,甚至更多。视觉信息通常以图像的形式存在,近几年,结合图像的多模态机器翻译任务受到了广泛的研究。多模态机器翻译(图\ref{fig:17-11}(a))简单来说就是结合源语言和其他模态(例如图像等)的信息生成目标语言的过程。这种结合图像的机器翻译还是一种狭义上的“翻译”,它本质上还是从源语言到目标语言或者说从文本到文本的翻译。那么从图像到文本上(图\ref{fig:17-11}(b))的转换,例如,{\small\bfnew{图片描述生成}}\index{图片描述生成}(Image Captioning)\index{Image Captioning},即给定图像生成与图像内容相关的描述,也可以被称为广义上的“翻译”,当然,这种广义上的翻译形式不仅仅包括图像到文本,还应该包括从图像到图像(图\ref{fig:17-11}(c)),甚至是从文本到图像(图\ref{fig:17-11}(d))等等。这里将这些与图像相关的翻译任务统称为图像翻译。
\parinterval 人类所接受的信息中视觉信息的比重往往不亚于语言信息,甚至更多。视觉信息通常以图像的形式存在,近几年,结合图像的多模态机器翻译受到了广泛的研究。多模态机器翻译(图\ref{fig:17-11} (a))简单来说就是结合源语言和其他模态(例如图像等)的信息生成目标语言的过程。这种结合图像的机器翻译还是一种狭义上的“翻译”,它本质上还是从源语言到目标语言或者说从文本到文本的翻译。那么从图像到文本上(图\ref{fig:17-11}(b))的转换,例如,{\small\bfnew{图片描述生成}}\index{图片描述生成}(Image Captioning)\index{Image Captioning},即给定图像生成与图像内容相关的描述,也可以被称为广义上的“翻译”,当然,这种广义上的翻译形式不仅仅包括图像到文本,还可以包括从图像到图像(图\ref{fig:17-11}(c)),甚至是从文本到图像(图\ref{fig:17-11}(d))等等。这里将这些与图像相关的翻译任务统称为图像翻译。
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\begin{figure}[htp]
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\subsection{基于图像增强的文本翻译}
\parinterval 在文本翻译中引入图像信息是最典型的多模态机器翻译任务。虽然多模态机器翻译还是一种从源语言文字到目标语言文字的转换,但是在转换的过程中,融入了其他模态的信息减少了歧义的产生。例如前文提到的通过与源语言相关的图像信息,将“A medium sized child jumps off of a dusty bank”中“bank”翻译为“河岸”而不是“银行”,通过给定一张相关的图片,机器翻译模型就可以利用视觉信息更好的理解歧义词,避免产生歧义。换句话说,对于同一图像或者视觉场景的描述,源语言和目标语言描述的本质意义是一致的,只不过,体现在语言上会有表达方法上的差异。那么,图像就会存在一些源语言和目标语言的隐含对齐“约束”,将这种“约束”融入到机器翻译系统,会让模型加深对某些歧义词语上下文的理解,从而进一步提高机器翻译质量。
\parinterval 在文本翻译中引入图像信息是最典型的多模态机器翻译任务。虽然多模态机器翻译还是一种从源语言文本到目标语言文本的转换,但是在转换的过程中,融入了其他模态的信息减少了歧义的产生。例如前文提到的通过与源语言相关的图像信息,将“A medium sized child jumps off of a dusty bank”中“bank”翻译为“河岸”而不是“银行”,因为图像中出现了河床,因此译文单词的歧义大大降低。换句话说,对于同一图像或者视觉场景的描述,源语言和目标语言描述的本质意义是一致的,只不过,体现在语言上会有表达方法上的差异。那么,图像就会存在一些源语言和目标语言的隐含对齐“约束”,将这种“约束”融入到机器翻译系统,会让模型加深对某些歧义词语上下文的理解,从而进一步提高机器翻译质量。
\parinterval WMT机器翻译评测在2016年首次将融合图像和文本的多模态机器翻译作为机器翻译和跨语言图像描述的共享任务\upcite{DBLP:conf/wmt/SpeciaFSE16},这项任务也受到了广泛的研究\upcite{DBLP:conf/wmt/CaglayanABGBBMH17,DBLP:conf/wmt/LibovickyHTBP16}。如何融入视觉信息,更好的理解多模态上下文语义是多模态机器翻译研究的热点,大体的研究方向包括基于特征融合的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/CalixtoL17,DBLP:journals/corr/abs-1712-03449,DBLP:conf/wmt/HelclLV18}、基于多任务学习的方法\upcite{DBLP:conf/ijcnlp/ElliottK17,DBLP:conf/acl/YinMSZYZL20}。接下来将从这两个方向,对多模态机器翻译的研究展开介绍。
\parinterval 如何融入视觉信息,更好的理解多模态上下文语义是多模态机器翻译研究的热点\upcite{DBLP:conf/wmt/SpeciaFSE16,DBLP:conf/wmt/CaglayanABGBBMH17,DBLP:conf/wmt/LibovickyHTBP16},大体的研究方向包括基于特征融合的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/CalixtoL17,DBLP:journals/corr/abs-1712-03449,DBLP:conf/wmt/HelclLV18}、基于多任务学习的方法\upcite{DBLP:conf/ijcnlp/ElliottK17,DBLP:conf/acl/YinMSZYZL20}。下面是具体介绍。
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% NEW SUBSUB-SECTION
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\subsubsection{1. 基于特征融合的方法}
\parinterval 较为早期的研究工作通常将图像信息作为输入句子的一部分\upcite{DBLP:conf/emnlp/CalixtoL17,DBLP:conf/wmt/HuangLSOD16},或者用其对编码器、解码器的状态进行初始化\upcite{DBLP:conf/emnlp/CalixtoL17,Elliott2015MultilingualID,DBLP:conf/wmt/MadhyasthaWS17}。如图\ref{fig:17-12}所示,对图像特征的提取通常是基于卷积神经网络,有关卷积神经网络的内容,请参考{\chaptereleven}内容。通过卷积神经网络得到全局视觉特征,在进行维度变换后,将其作为源语言输入的一部分或者初始化状态引入到模型当中。但是,这种图像信息的引入方式有以下两个缺点:
\parinterval 早期,通常将图像信息作为输入句子的一部分\upcite{DBLP:conf/emnlp/CalixtoL17,DBLP:conf/wmt/HuangLSOD16},或者用其对编码器、解码器的状态进行初始化\upcite{DBLP:conf/emnlp/CalixtoL17,Elliott2015MultilingualID,DBLP:conf/wmt/MadhyasthaWS17}。如图\ref{fig:17-12}所示,对图像特征的提取通常是基于卷积神经网络,有关卷积神经网络的内容,可以参考{\chaptereleven}内容。通过卷积神经网络得到全局视觉特征,在进行维度变换后,将其作为源语言输入的一部分或者初始化状态引入到模型当中。但是,这种图像信息的引入方式有以下两个缺点:
\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item 图像信息不全都是有用的,往往存在一些与源语言或目标语言无关的信息,作为全局特征会引入噪音。
\vspace{0.5em}
\item 图像信息作为源语言的一部分或者初始化状态,间接参与目标语言单词的生成,在循环神经网络信息传递的过程中,图像信息会有一定的损失。
\item 图像信息作为源语言的一部分或者初始化状态,间接参与目标语言单词的生成,在神经网络的计算过程中,图像信息会有一定的损失。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
......@@ -312,7 +327,7 @@
\centerline{中午\ \ 吃饭\ \ \ \ \ \ \ 下午\ 篮球\ \ \ 现在\ \ 饿\ \ \ \underline{\quad \quad \quad}}
\vspace{0.8em}
\parinterval 想在横线处填写“吃饭”,“吃东西”的原因是我们在读句子的过程中,关注到了“没/吃饭”,“很/饿”等关键息。这是在自然语言处理中注意力机制解决的问题,即对于要生成的目标语言单词时,相关性更高的源语言片段应该在源语言句子的表示中体现出来,而不是将所有的源语言单词一视同仁。同样的,注意力机制也用在多模态机器翻译中,即在生成目标单词时,对于图像而言,更应该关注与目标单词相关的图像部分,而弱化对其他部分的关注,这样就达到了降噪的目的,另外,注意力机制的引入,也使图像信息直接参与目标语言的生成,解决了在编码器中,图像信息传递损失的问题。
\parinterval 想在横线处填写“吃饭”,“吃东西”的原因是我们在读句子的过程中,关注到了“没/吃饭”,“很/饿”等关键息。这是在自然语言处理中注意力机制解决的问题,即对于要生成的目标语言单词,相关性更高的源语言片段应该更加“重要”,而不是将所有的源语言单词一视同仁。同样的,注意力机制也用在多模态机器翻译中,即在生成目标单词时,对于图像而言,更应该关注与目标单词相关的图像部分,而弱化对其他部分的关注,这样就达到了降噪的目的,另外,注意力机制的引入,也使图像信息直接参与目标语言的生成,解决了在编码器中图像信息传递损失的问题。
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\begin{figure}[htp]
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\end{figure}
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\parinterval 那么,多模态机器翻译是如何计算上下文向量的呢?这里仿照第十章的内容给出具体解释(参考图10.19):
\parinterval 编码器输出的状态序列${\mathbi{h}_1,\mathbi{h}_2,...\mathbi{h}_m}$,m为状态序列的长度,需要注意的是,这里的状态序列不是源语言的状态序列,而是通过基于卷积循环网络提取到的图像的状态序列。假设图像的特征维度16×16×512,其中前两个维度分别表示图像的高和宽,这里会将图像的维度映射为256×512的状态序列,512为每个状态的维度,对于目标语位置$j$,上下文向量$\mathbi{C}_{j}$被定义为对序列的编码器输出进行加权求和,如下:
\parinterval 那么,多模态机器翻译是如何计算上下文向量的呢?这里仿照第十章的内容给出具体解释(参考图10.19)。假设编码器输出的状态序列$\{\mathbi{h}_1,\mathbi{h}_2,...\mathbi{h}_m\}$,需要注意的是,这里的状态序列不是源语言句子的状态序列,而是通过基于卷积循环网络提取到的图像的状态序列。假设图像的特征维度16×16×512,其中前两个维度分别表示图像的高和宽,这里会将图像的维度映射为256×512 的状态序列,512为每个状态的维度。对于目标语位置$j$,上下文向量$\mathbi{C}_{j}$被定义为对序列的编码器输出进行加权求和,如下:
\begin{eqnarray}
\mathbi{C}_{j}&=& \sum_{i}{{\alpha}_{i,j}{\mathbi{h}}_{i}}
\label{fig:17-13}
\end{eqnarray}
\noindent 其中,${\alpha}_{i,j}$是注意力权重,它表示目标语言第j个位置与图片编码状态序列第i个位置的相关性大小,计算方式与{\chapterten}描述的注意力函数一致。
\noindent 其中,${\alpha}_{i,j}$是注意力权重,它表示目标语言第$j$个位置与图片编码状态序列第$i$个位置的相关性大小,计算方式与{\chapterten}描述的注意力函数一致。
\parinterval 这里,将每个时间步编码器的输出$\mathbi{h}_{i}$看作源图像序列位置$i$的表示结果。图\ref{fig:17-13}说明了模型在生成目标词“bank”时,图像经过注意力机制对图像区域关注度的可视化效果,可以看到,经过注意力机制后,模型更注重的是与目标词相关的图像部分。当然,多模态机器翻译的输入还包括源语言文字序列。通常,源语言文字对于翻译的作用比图像更大\upcite{DBLP:conf/acl/YaoW20}。从这个角度说,图像信息更多的是作为文字信息的补充,而不是替代。除此之外,注意力机制在多模态机器翻译中也有很多研究,不仅仅在解码器端将经过注意力机制的文本特征和视觉特征作为解码输入的一部分,还有的工作在编码器端将源语言与图像信息进行注意力建模\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1712-03449,DBLP:conf/acl/YaoW20},得到更好的源语言特征表示
\parinterval 这里,将每个时间步编码器的输出$\mathbi{h}_{i}$看作源图像序列位置$i$的表示结果。图\ref{fig:17-13}说明了模型在生成目标词“bank”时,图像经过注意力机制对图像区域关注度的可视化效果,可以看到,经过注意力机制后,模型更关注与目标词相关的图像部分。当然,多模态机器翻译的输入还包括源语言文字序列。通常,源语言文字对于翻译的作用比图像更大\upcite{DBLP:conf/acl/YaoW20}。从这个角度说,图像信息更多的是作为文字信息的补充,而不是替代。除此之外,注意力机制在多模态机器翻译中也有很多研究,不仅仅在解码器端将经过注意力机制的文本特征和视觉特征作为解码输入的一部分,还有工作在编码器端将源语言与图像信息进行注意力建模,得到更好的源语言特征表示\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1712-03449,DBLP:conf/acl/YaoW20}
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% NEW SUBSUB-SECTION
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\subsubsection{2. 基于多任务学习的方法}
\parinterval 基于多任务学习的方法通常是把翻译任务与其他视觉任务结合,进行联合训练。在{\chapterfifteen}{\chaptersixteen}已经提到过多任务学习。一种常见的多任务学习框架是针对多个相关的任务,共享模型的部分参数来学习不同任务之间相似的部分,并通过特定的模块来学习每个任务特有的部分。在多模态机器翻译中,应用多任务学习的主要策略就是将翻译作为主任务,同时设置一些与其他模态相关的子任务,通过这些子任务来辅助源语言理解自身的语言知识。
\parinterval 基于多任务学习的方法通常是把翻译任务与其他视觉任务结合,进行联合训练。一种常见的多任务学习框架是针对多个相关的任务,共享模型的部分参数来学习不同任务之间相似的部分,并通过特定的模块来学习每个任务特有的部分。在多模态机器翻译中,应用多任务学习的主要策略就是将翻译作为主任务,同时设置一些与其他模态相关的子任务,通过这些子任务来辅助源语言理解自身的语言知识。
\parinterval 如图\ref{fig:17-14}所示,可以将多模态机器翻译任务分解为两个子任务:机器翻译和图片生成\upcite{DBLP:conf/ijcnlp/ElliottK17}。其中机器翻译作为主任务,图片生成作为子任务,图片生成这里指的是从一个图片描述生成对应图片,对于图片生成任务在后面叙述。通过单个编码器对源语言数据进行建模,然后通过两个解码器(翻译解码器和图像解码器)来学习翻译任务和图像生成任务。顶层任务学习每个任务的独立特征,底层共享参数层能够学习到更丰富的文本特征表示。
\parinterval 如图\ref{fig:17-14}所示,可以将多模态机器翻译任务分解为两个子任务:机器翻译和图片生成\upcite{DBLP:conf/ijcnlp/ElliottK17}。其中机器翻译作为主任务,图片生成作为子任务,图片生成这里指的是从一个图片描述生成对应图片,对于图片生成任务在后面叙述。通过单个编码器对源语言数据进行建模,然后通过两个解码器(翻译解码器和图像解码器)来学习翻译任务和图像生成任务。顶层任务学习每个任务的独立特征,底层共享参数层能够学习到更丰富的文本特征表示。另外在视觉问答领域有研究表明\upcite{DBLP:conf/nips/LuYBP16},在多模态任务中,不宜引入过多层的注意力机制,因为过多层的注意力机制会导致模型严重的过拟合,从另一角度来说,利用多任务学习的方式,提高模型的泛化能力,也是一种有效防止过拟合现象的方式。类似的思想,也大量使用在多模态自然语言处理中,例如图像描述生成、视觉问答\upcite{DBLP:conf/iccv/AntolALMBZP15}
\parinterval 另外在视觉问答领域有研究表明,在多模态任务中,不宜引入过多层的注意力机制,因为过深的模型会导致多模态模型的过拟合\upcite{DBLP:conf/nips/LuYBP16}。这一方面是由于深模型本身对数据的拟合能力,另一方面也是由于多模态任务的数据普遍较小,容易造成复杂模型的过拟合。从另一角度来说,利用多任务学习的方式,提高模型的泛化能力,也是一种有效防止过拟合现象的方式。类似的思想,也大量使用在多模态自然语言处理中,例如图像描述生成、视觉问答等\upcite{DBLP:conf/iccv/AntolALMBZP15}
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\begin{figure}[htp]
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\end{figure}
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\parinterval 传统图像描述生成有两种范式:基于检索的方法和基于模板的方法。其中图\ref{fig:17-15}(a)是指在指定的图像描述候选句子中选择其中的句子作为图像的描述,这种方法的弊端是所选择的句子可能会和图像很大程度上不相符。而\ref{fig:17-15}(b)是指在图像上检测视觉特征,然后把内容填在实现设计好的模板当中,这种方法的缺点是生成的图像描述过于呆板,“像是在一个模子中刻出来的”说的就是这个意思。近几年来 ,由于卷积神经网络在计算机视觉领域效果显著,而循环神经网络在自然语言处理领域卓有成效,受到机器翻译领域编码器-解码器框架的启发,逐渐的,这种基于卷积神经网络作为编码器编码图像,循环神经网络作为解码器解码描述的编码器-解码器框架成了图像描述任务的基础范式。本章节,从基础的图像描述范式编码器-解码器框架展开\upcite{DBLP:conf/cvpr/VinyalsTBE15,DBLP:conf/icml/XuBKCCSZB15},从编码器的改进、解码器的改进展开介绍。
\parinterval 传统图像描述生成有两种范式:基于检索的方法和基于模板的方法。其中图\ref{fig:17-15}(a)是指在指定的图像描述候选句子中选择其中的句子作为图像的描述,这种方法的弊端是所选择的句子可能会和图像很大程度上不相符。而\ref{fig:17-15}(b)是指在图像上检测视觉特征,然后把内容填在实现设计好的模板当中,这种方法的缺点是生成的图像描述过于呆板,“像是在一个模子中刻出来的”说的就是这个意思。近几年来 ,由于卷积神经网络在计算机视觉领域效果显著,而循环神经网络在自然语言处理领域卓有成效,受到机器翻译领域编码器-解码器框架的启发,逐渐的,这种基于卷积神经网络作为编码器编码图像,循环神经网络作为解码器解码描述的编码器-解码器框架成了图像描述任务的基础范式。本章节,从基础的图像描述范式编码器-解码器框架展开\upcite{DBLP:conf/cvpr/VinyalsTBE15,DBLP:conf/icml/XuBKCCSZB15},从编码器的改进、解码器的改进展开介绍。
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% NEW SUBSUB-SECTION
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\parinterval 从建模的角度来看,篇章级翻译需要引入额外的上下文信息,来解决上述上下文现象。在统计机器翻译时代就已经有一些相关工作,这些工作都是针对某一具体的上下文现象进行建模,比如篇章结构\upcite{DBLP:conf/anlp/MarcuCW00,foster2010translating,DBLP:conf/eacl/LouisW14}、代词回指\upcite{DBLP:conf/iwslt/HardmeierF10,DBLP:conf/wmt/NagardK10,DBLP:conf/eamt/LuongP16,}、词汇衔接\upcite{tiedemann2010context,DBLP:conf/emnlp/GongZZ11,DBLP:conf/ijcai/XiongBZLL13,xiao2011document}和篇章连接词\upcite{DBLP:conf/sigdial/MeyerPZC11,DBLP:conf/hytra/MeyerP12,}等。但是由于统计机器翻译本身流程复杂,依赖于许多组件和针对上下文现象所精心构造的特征,其建模方法相对比较困难。到了神经机器翻译时代,翻译质量相比统计机器翻译取得了大幅提升\upcite{DBLP:conf/nips/SutskeverVL14,bahdanau2014neural,vaswani2017attention},这也鼓励研究人员进一步探索利用篇章上下文的信息\upcite{DBLP:conf/emnlp/LaubliS018}。近几年,相关工作不断涌现并且取得了一些阶段性进展\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1912-08494}
\parinterval
区别于篇章级统计机器翻译,篇章级神经机器翻译通常采用直接对上下文句子进行建模的端到端的方式。这种方法不再需要针对某一具体的上下文现象构造相应的特征,而是通过翻译模型本身从上下文句子中抽取和融合相应的上下文信息。通常情况下,待翻译句子的上下文信息一般来自于近距离的上下文,篇章级机器翻译可以采用局部建模的手段将前一句或者周围几句作为上下文送入模型。针对长距离的上下文现象,也可以使用全局建模的手段直接从篇章所有其他句子中提取上下文信息。近几年多数研究工作都在探索更有效的局部建模或者全局建模的方法,主要包括改进输入\upcite{DBLP:conf/discomt/TiedemannS17,DBLP:conf/naacl/BawdenSBH18,DBLP:conf/wmt/GonzalesMS17,DBLP:journals/corr/abs-1910-07481}、多编码器结构\upcite{DBLP:journals/corr/JeanLFC17,DBLP:conf/acl/TitovSSV18,DBLP:conf/emnlp/ZhangLSZXZL18}、层次结构\upcite{DBLP:conf/emnlp/WangTWL17,DBLP:conf/emnlp/TanZXZ19,Werlen2018DocumentLevelNM,DBLP:conf/naacl/MarufMH19,DBLP:conf/acl/HaffariM18,DBLP:conf/emnlp/YangZMGFZ19,DBLP:conf/ijcai/ZhengYHCB20}以及基于缓存的方法\upcite{DBLP:conf/coling/KuangXLZ18,DBLP:journals/tacl/TuLSZ18}四类。
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区别于篇章级统计机器翻译,篇章级神经机器翻译通常采用直接对上下文句子进行建模的端到端的方式。这种方法不再需要针对某一具体的上下文现象构造相应的特征,而是通过翻译模型本身从上下文句子中抽取和融合相应的上下文信息。通常情况下,待翻译句子的上下文信息一般来自于近距离的上下文,篇章级机器翻译可以采用局部建模的手段将前一句或者周围几句作为上下文送入模型。针对长距离的上下文现象,也可以使用全局建模的手段直接从篇章所有其他句子中提取上下文信息。近几年多数研究工作都在探索更有效的局部建模或者全局建模的方法,主要包括改进输入\upcite{DBLP:conf/discomt/TiedemannS17,DBLP:conf/naacl/BawdenSBH18,DBLP:conf/wmt/GonzalesMS17,DBLP:journals/corr/abs-1910-07481}、多编码器结构\upcite{DBLP:journals/corr/JeanLFC17,DBLP:conf/acl/TitovSSV18,DBLP:conf/emnlp/ZhangLSZXZL18}、层次结构\upcite{DBLP:conf/emnlp/WangTWL17,DBLP:conf/emnlp/TanZXZ19,Werlen2018DocumentLevelNM,DBLP:conf/naacl/MarufMH19,DBLP:conf/acl/HaffariM18,DBLP:conf/emnlp/YangZMGFZ19,DBLP:conf/ijcai/ZhengYHCB20} 以及基于缓存的方法\upcite{DBLP:conf/coling/KuangXLZ18,DBLP:journals/tacl/TuLSZ18}四类。
\parinterval 此外,篇章级机器翻译面临的另外一个挑战是数据稀缺。篇章级机器翻译所需要的双语数据需要保留篇章边界,数量相比于句子级双语数据要少很多。除了在之前提到的端到端做法中采用预训练或者参数共享的手段(见{\chaptersixteen}),也可以采用另外的建模手段来缓解数据稀缺问题。比如在句子级翻译模型推断过程中,通过目标端篇章级语言模型\upcite{DBLP:conf/discomt/GarciaCE19,DBLP:journals/tacl/YuSSLKBD20,DBLP:journals/corr/abs-2010-12827}来引入上下文信息,或者对句子级的解码结果进行修正\upcite{DBLP:conf/aaai/XiongH0W19,DBLP:conf/acl/VoitaST19,DBLP:conf/emnlp/VoitaST19}。这种方法能够充分利用句子级的双语数据,并且在一定程度上缓解篇章级双语数据稀缺问题。
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D_i&\subseteq&\{X_{-i},Y_{-i}\} \label{eq:17-3-2}
\end{eqnarray}
其中$\seq{X}$$\seq{Y}$分别为源语言篇章和目标语言篇章,$X_i$$Y_i$分别为源语言篇章和目标语言篇章中的某个句子,$X_{-i}$$Y_{-i}$分别为去掉第$i$个句子的源语言篇章和目标语言,$T$表示篇章中句子的数目\footnote{为了简化问题,我们假设源语言端和目标语言段具有相同的句子数目$T$}$D_i$表示翻译第个句子时所对应的上下文句子集合,代表源语言篇章和目标语言篇章中其它的句子。考虑到不同的任务场景需求与模型的应用效率,篇章级神经机器翻译在建模的时候通常仅使用一部分作为上下文句子输入。对应的,篇章级神经机器翻译主要需要考虑两个问题:1)上下文范围的选取,比如上下文句子的多少\upcite{agrawal2018contextual,DBLP:conf/emnlp/WerlenRPH18,DBLP:conf/naacl/MarufMH19},是否考虑目标端上下文句子\upcite{DBLP:conf/discomt/TiedemannS17,agrawal2018contextual}等;2)不同的上下文范围也对应着不同的建模方式,即如何从上下文句子中提取上下文信息,并且融入到翻译模型中。接下来将对一些典型的建模方法进行介绍,包括改进输入\upcite{DBLP:conf/discomt/TiedemannS17,DBLP:conf/naacl/BawdenSBH18,DBLP:conf/wmt/GonzalesMS17,DBLP:journals/corr/abs-1910-07481}、多编码器结构\upcite{DBLP:journals/corr/JeanLFC17,DBLP:conf/acl/TitovSSV18,DBLP:conf/emnlp/ZhangLSZXZL18}、层次结构\upcite{DBLP:conf/emnlp/WangTWL17,DBLP:conf/emnlp/TanZXZ19,Werlen2018DocumentLevelNM,DBLP:conf/naacl/MarufMH19,DBLP:conf/acl/HaffariM18,DBLP:conf/emnlp/YangZMGFZ19,DBLP:conf/ijcai/ZhengYHCB20}以及基于缓存的方法\upcite{DBLP:conf/coling/KuangXLZ18,DBLP:journals/tacl/TuLSZ1}
其中$\seq{X}$$\seq{Y}$分别为源语言篇章和目标语言篇章,$X_i$$Y_i$分别为源语言篇章和目标语言篇章中的某个句子,$X_{-i}$$Y_{-i}$分别为去掉第$i$个句子的源语言篇章和目标语言,$T$表示篇章中句子的数目\footnote{为了简化问题,我们假设源语言端和目标语言段具有相同的句子数目$T$}$D_i$表示翻译第个句子时所对应的上下文句子集合,代表源语言篇章和目标语言篇章中其它的句子。考虑到不同的任务场景需求与模型的应用效率,篇章级神经机器翻译在建模的时候通常仅使用一部分作为上下文句子输入。对应的,篇章级神经机器翻译主要需要考虑两个问题:1)上下文范围的选取,比如上下文句子的多少\upcite{agrawal2018contextual,DBLP:conf/emnlp/WerlenRPH18,DBLP:conf/naacl/MarufMH19},是否考虑目标端上下文句子\upcite{DBLP:conf/discomt/TiedemannS17,agrawal2018contextual}等;2)不同的上下文范围也对应着不同的建模方式,即如何从上下文句子中提取上下文信息,并且融入到翻译模型中。接下来将对一些典型的建模方法进行介绍,包括改进输入\upcite{DBLP:conf/discomt/TiedemannS17,DBLP:conf/naacl/BawdenSBH18,DBLP:conf/wmt/GonzalesMS17,DBLP:journals/corr/abs-1910-07481}、多编码器结构\upcite{DBLP:journals/corr/JeanLFC17,DBLP:conf/acl/TitovSSV18,DBLP:conf/emnlp/ZhangLSZXZL18}、层次结构\upcite{DBLP:conf/emnlp/WangTWL17,DBLP:conf/emnlp/TanZXZ19,Werlen2018DocumentLevelNM,DBLP:conf/naacl/MarufMH19,DBLP:conf/acl/HaffariM18,DBLP:conf/emnlp/YangZMGFZ19,DBLP:conf/ijcai/ZhengYHCB20} 以及基于缓存的方法\upcite{DBLP:conf/coling/KuangXLZ18,DBLP:journals/tacl/TuLSZ1}
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