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Chapter11/chapter11.tex
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\section{卷积神经网络}
\parinterval {\small\bfnew{卷积神经网络}}\index{卷积神经网络}（Convolutional Neural Network，CNN）\index{Convolutional Neural Network，CNN} 是一种前馈神经网络，由若干的卷积层与池化层组成。其最早在语音识别任务上提出\upcite{Waibel1989PhonemeRU}，但之后在图像处理领域取得了很好的效果\upcite{LeCun1989BackpropagationAT,726791}。近年来，卷积神经网络已经成为众多语音、语言、图像处理任务的基础框架\upcite{DBLP:journals/corr/HeZRS15,DBLP:conf/cvpr/HuangLMW17,Girshick2015FastR,He2020MaskR}。在自然语言处理领域，卷积神经网络已经得到广泛应用，在文本分类\upcite{Kalchbrenner2014ACN,Kim2014ConvolutionalNN,Ma2015DependencybasedCN}、情感分析\upcite{Santos2014DeepCN,}、语言建模\upcite{Dauphin2017LanguageMW}、机器翻译\upcite{Gehring2017ACE,DBLP:journals/corr/GehringAGYD17,Kaiser2018DepthwiseSC,Wu2019PayLA}等任务中取得不错的成绩。
\parinterval {\small\bfnew{卷积神经网络}}\index{卷积神经网络}（Convolutional Neural Network，CNN）\index{Convolutional Neural Network，CNN} 是一种前馈神经网络，由若干的卷积层与池化层组成。早期，卷积神经网络被应用在语音识别任务上\upcite{Waibel1989PhonemeRU}，之后在图像处理领域取得了很好的效果\upcite{LeCun1989BackpropagationAT,726791}。近年来，卷积神经网络已经成为语音、自然语言文字、图像处理任务的基础框架\upcite{DBLP:journals/corr/HeZRS15,DBLP:conf/cvpr/HuangLMW17,Girshick2015FastR,He2020MaskR}。在自然语言处理领域，卷积神经网络已经得到广泛应用，在文本分类\upcite{Kalchbrenner2014ACN,Kim2014ConvolutionalNN,Ma2015DependencybasedCN}、情感分析\upcite{Santos2014DeepCN,}、语言建模\upcite{Dauphin2017LanguageMW}、机器翻译\upcite{Gehring2017ACE,DBLP:journals/corr/GehringAGYD17,Kaiser2018DepthwiseSC,Wu2019PayLA}等任务中取得不错的成绩。
\parinterval 图\ref{fig:11-1}展示了全连接层和卷积层的结构对比，可以看到在全连接层中，模型考虑了所有的输入，层输出中的每一个元素都依赖于所有输入。这种全连接层适用于大多数任务，但是当处理图像这种网格数据的时候，规模过大的数据会导致模型参数量过大，难以处理。其次，在一些网格数据中，通常具有局部不变性的特征，比如图像中不同位置的相同物体，语言序列中相同的$n$-gram等。而全连接网络很难提取这些局部不变性特征。为此，一些研究人员提出使用卷积层来替换全连接层。
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%\input{./Chapter11/Figures/figure-f }
\subfigure[全连接层]{\input{./Chapter11/Figures/figure-full-connection-vs-cnn-a}}
\hspace{2cm}
\subfigure[卷积层]{\input{./Chapter11/Figures/figure-full-connection-vs-cnn-b}}
\subfigure[卷积层]{\input{./Chapter11/Figures/figure-full-connection-vs-cnn-b}}
\caption{全连接层（a）与卷积层（b）的结构对比}
\label{fig:11-1}
\end{figure}
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\parinterval 卷积操作作为卷积神经网络的核心部分，其本质是一种特殊的线性运算。区别于全连接的方式，卷积使用一系列{\small\bfnew{卷积核}}\index{卷积核}（Convolution Kernel，也叫滤波器）\index{Convolution Kernel}\index{滤波器} 对局部输入数据进行特征提取，然后通过在输入数据空间维度上移动卷积核来获取所有位置的特征信息。卷积的输入可以是任意维度形式的数据。由于其在图像处理领域应用最为广泛，这里以二维图像为例对卷积核和卷积操作进行简单介绍。
\parinterval 在图像卷积中，卷积核是一组$Q \times U \times O$的参数（如图\ref{fig:11-3}）。其中$Q$和$U$表示卷积核窗口的长度与宽度，分别对应图像中的长和宽两个维度，$Q \times U$决定了该卷积核窗口的大小。$O$是该卷积核的深度，它的取值和输入数据通道数保持一致。在这里，通道可以看作图像不同的特征，比如灰色图像只有灰度信息，通道数为1；而RGB格式的图像有3个通道，分别对应红绿蓝三种颜色信息。
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% 图3.
\begin{figure}[htp]
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\end{figure}
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\parinterval 在图像卷积中，卷积核是一组$Q \times U \times O$的参数（如图\ref{fig:11-3}）。其中$Q$和$U$表示卷积核窗口的长度与宽度，分别对应图像中的长和宽两个维度，$Q \times U$决定了该卷积核窗口的大小。$O$是该卷积核的深度，它的取值和输入数据通道数保持一致。在这里，通道可以看作图像不同的特征，比如灰色图像只有灰度信息，通道数为1；而RGB格式的图像有3个通道，分别对应红绿蓝三种颜色信息。
\parinterval 图\ref{fig:11-4}展示了一个简单的卷积操作示例，卷积核大小为$2 \times 2 \times 1$，图像大小为$3 \times 3 \times 1$。将卷积核在图像上依次进行滑动，输出中的每一个位置的元素来自于卷积核与输入中对应位置元素的乘积和，比如输出中的$19=0 \times 0 + 1 \times 1 + 2 \times 3 + 3 \times 4$。在图像处理中，通过设计特定的卷积核来进行特征提取，比如图像边缘信息（图\ref{fig:11-5}）。而在卷积神经网络中，只需要指定卷积层中卷积核的数量及大小，卷积核参数通过梯度下降等手段学习得到。这样可以让模型自己学习需要提取哪些特征。
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% 图4.
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\end{figure}
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\parinterval 图\ref{fig:11-4}展示了一个简单的卷积操作示例，卷积核大小为$2 \times 2 \times 1$，图像大小为$3 \times 3 \times 1$。将卷积核在图像上依次进行滑动，输出中的每一个位置的元素来自于卷积核与输入中对应位置元素的乘积和，比如输出中的$19=0 \times 0 + 1 \times 1 + 2 \times 3 + 3 \times 4$。在图像处理中，通过设计特定的卷积核来进行特征提取，比如图像边缘信息（图\ref{fig:11-5}）。而在卷积神经网络中，只需要指定卷积层中卷积核的数量及大小，卷积核参数通过梯度下降等手段学习得到。这样可以让模型自己学习需要提取哪些特征。
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% 图5.
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\subsection{步长与填充}
\parinterval 在卷积操作中，步长是指卷积核每次滑动的距离，和卷积核的大小共同决定了卷积输出的大小，如图\ref{fig:11-6}所示。步长越大，对输入数据的压缩程度越高，其输出的维度越小；反之步长越小，对输入数据的压缩程度越低，同时输出的尺寸和输入越接近。比如使用一个$3 \times 3 \times 1$的卷积核在$6 \times 6 \times 1$的图像上进行卷积，如设置步长为1，其对应的输出大小就为$4 \times 4 \times 1$。这种做法最为简单，但是会导致两个问题；一是在输入数据中，由于边缘区域的像素只会被计算一次，相比于中心区域来说，这些像素被考虑的次数会更少一些，导致图像边缘信息的丢失；二是在经历多次卷积之后，其输出的特征的维度会不断减小，严重影响了模型的泛化能力。
\parinterval 在卷积操作中，步长是指卷积核每次滑动的距离，和卷积核的大小共同决定了卷积输出的大小，如图\ref{fig:11-6}所示。步长越大，对输入数据的压缩程度越高，其输出的维度越小；反之步长越小，对输入数据的压缩程度越低，同时输出的尺寸和输入越接近。比如使用一个$3 \times 3 \times 1$的卷积核在$6 \times 6 \times 1$的图像上进行卷积，如设置步长为1，其对应的输出大小就为$4 \times 4 \times 1$。这种做法最为简单，但是会导致两个问题；一是在输入数据中，由于边缘区域的像素只会被计算一次，相比于中心区域来说，这些像素被考虑的次数会更少一些，导致图像边缘信息的丢失；二是在经历多次卷积之后，其输出的特征的维度会不断减小，影响模型的泛化能力。
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% 图6.
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\subsection{池化}
\parinterval 在图\ref{fig:11-2}所示的网络结构中，卷积层输出会通过一个非线性的激活函数，之后会通过{\small\bfnew{池化层}}\index{池化层}（也称为汇聚层）。池化过程和卷积类似，都是根据设定的窗口进行滑动选取局部信息进行计算，不同的是，池化层的计算是无参数化的，不需要额外的权重矩阵。常见的池化操作有{\small\bfnew{最大池化}}\index{最大池化}（Max Pooling）\index{Max Pooling}和{\small\bfnew{平均池化}}\index{平均池化}（Average Pooling）\index{Average Pooling}。前者获取窗口内最大的值，后者则获取窗口内矩阵的平均值。图\ref{fig:11-8}展示了窗口大小为$2 \times 2$，步长为2的两种池化方法的计算过程。
\parinterval 在图\ref{fig:11-2}所示的网络结构中，卷积层输出会通过一个非线性的激活函数，之后会通过{\small\bfnew{池化层}}\index{池化层}（也称为汇聚层）。池化过程和卷积类似，都是根据设定的窗口进行滑动选取局部信息进行计算，不同的是，池化层的计算是无参数化的，不需要额外的权重矩阵。常见的池化操作有{\small\bfnew{最大池化}}\index{最大池化}（Max Pooling）\index{Max Pooling}和{\small\bfnew{平均池化}}\index{平均池化}（Average Pooling）\index{Average Pooling}。前者获取窗口内最大的值，后者则获取窗口内矩阵的平均值。图\ref{fig:11-8}展示了窗口大小为$2 \times 2$、步长为2的两种池化方法的计算过程。
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% 图8.
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\subsection{面向序列的卷积操作}
\parinterval 对比于图像处理任务中二维图像数据，自然语言处理任务中主要处理一维序列，如单词序列。由于单词序列往往是不定长的，因此很难使用全连接网络处理它。
\parinterval 对比于图像处理任务中二维图像数据，自然语言处理任务中主要处理一维序列，如单词序列。由于单词序列往往是不定长的，很难使用全连接网络处理它，因为变长序列无法用固定大小的全连接网络进行直接建模，而且过长的序列也会导致全连接网络参数量的极具增加。
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% 图9.
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%\input{./Chapter11/Figures/figure-f }
\subfigure[循环神经网络的串行结构]{\input{./Chapter11/Figures/figure-structural-comparison-a}}
\subfigure[卷积神经网络的层级结构]{\input{./Chapter11/Figures/figure-structural-comparison-b}}
\caption{串行及层级结构对比（$\mathbi{e}_i$表示词嵌入，$\mathbi{0}$表示$\mathbi{0}$向量，2,3,4表示第几层）}
\caption{串行及层级结构对比（$\mathbi{e}_i$表示词嵌入，$\mathbi{0}$表示$\mathbi{0}$向量，方框里的2、3、4表示层次编号）}
\label{fig:11-9}
\end{figure}
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\parinterval 针对不定长序列，一种可行的方法是使用之前介绍过的循环神经网络，其本质也是基于权重共享的想法，在不同的时间步复用相同的循环神经网络单元进行处理。但是，循环神经网络最大的弊端在于每一时刻的计算都依赖于上一时刻的结果，因此只能对序列进行串行处理，无法充分利用硬件设备进行并行计算，导致效率相对较低。此外，在处理较长的序列时，这种串行的方式很难捕捉长距离的依赖关系。与之对应的卷积神经网络，由于采用卷积这种局部处理并且共享参数的操作，可以对序列高效地并行处理。同时，针对序列中距离较长的依赖关系，可以通过堆叠多层卷积层来扩大{\small\bfnew{感受野}}\index{感受野} (Receptive Field)\index{Receptive Field} ，这里感受野指能够影响神经元输出的原始输入数据区域的大小。图\ref{fig:11-9}对比了这两种结构，可以看出，为了捕捉$\mathbi{e}_2$和$\mathbi{e}_8$之间的联系，串行结构需要顺序的6次操作，和长度相关。而层级结构仅需要4层卷积计算，和卷积核的大小相关，相比于串行的方式具有更短的路径和更少的非线性计算，更容易进行训练。因此，也有许多研究人员在许多自然语言处理任务上尝试使用卷积神经网络进行序列建模\upcite{Kim2014ConvolutionalNN,Santos2014DeepCN,Kalchbrenner2014ACN,DBLP:conf/naacl/Johnson015,DBLP:conf/naacl/NguyenG15}。
\parinterval 针对不定长序列，一种可行的方法是使用之前介绍过的循环神经网络，其本质也是基于权重共享的想法，在不同的时间步复用相同的循环神经网络单元进行处理。但是，循环神经网络最大的弊端在于每一时刻的计算都依赖于上一时刻的结果，因此只能对序列进行串行处理，无法充分利用硬件设备进行并行计算，导致效率相对较低。此外，在处理较长的序列时，这种串行的方式很难捕捉长距离的依赖关系。相比之下，卷积神经网络采用共享参数的方式处理固定大小窗口内的信息，且不同位置的卷积操作之间没有相互依赖，因此可以对序列高效地并行处理。同时，针对序列中距离较长的依赖关系，可以通过堆叠多层卷积层来扩大{\small\bfnew{感受野}}\index{感受野} (Receptive Field)\index{Receptive Field} ，这里感受野指能够影响神经元输出的原始输入数据区域的大小。图\ref{fig:11-9}对比了这两种结构，可以看出，为了捕捉$\mathbi{e}_2$ 和$\mathbi{e}_8$ 之间的联系，串行结构需要顺序的6次操作，和长度相关。而层级结构仅需要4层卷积计算，和卷积核的大小相关，相比于串行的方式具有更短的路径和更少的非线性计算，更容易进行训练。因此，也有许多研究人员在许多自然语言处理任务上尝试使用卷积神经网络进行序列建模\upcite{Kim2014ConvolutionalNN,Santos2014DeepCN,Kalchbrenner2014ACN,DBLP:conf/naacl/Johnson015,DBLP:conf/naacl/NguyenG15}。
\parinterval 区别于传统图像上的卷积操作，在面向序列的卷积操作中，卷积核只在序列这一维度进行移动，用来捕捉多连续词之间的特征。需要注意的是，由于单词通常由一个实数向量表示（词嵌入），因此可以将词嵌入的维度看作是卷积操作中的通道数。图\ref{fig:11-10}就是一个基于序列卷积的文本分类模型，模型使用多个不同（对应图中不同的颜色）的卷积核来对序列进行特征提取，得到了多个不同的特征序列。然后使用池化层降低表示维度，得到了一组和序列长度无关的特征表示。基于这组压缩过的特征表示，模型再通过全连接网络和Softmax函数作为相应类别的预测。在这其中卷积层和池化层分别起到了特征提取和状态压缩的作用，将一个不定长的序列转化到一组固定大小的特征表示。
......@@ -213,20 +214,20 @@
\section{基于卷积神经网络的机器翻译模型}
\parinterval 正如之前所讲，卷积神经网络可以用于序列建模，同时具有并行性高和易于学习的特点，一个很自然的想法就是将其用作神经机器翻译模型中的特征提取器。因此，在神经机器翻译被提出之初，研究人员就已经开始利用卷积神经网络对句子进行表示。比较经典的模型是使用卷积神经网络作为源语言句子的编码器，使用循环神经网络作为目标语译文生成的解码器\upcite{kalchbrenner-blunsom-2013-recurrent,Gehring2017ACE}。之后也有研究人员提出完全基于卷积神经网络的翻译模型（ConvS2S）\upcite{DBLP:journals/corr/GehringAGYD17}，或者针对卷积层进行改进，提出效率更高、性能更好的模型\upcite{Kaiser2018DepthwiseSC,Wu2019PayLA}。本节我们将基于ConvS2S模型进行介绍，阐述如何使用卷积神经网络搭建端到端神经机器翻译模型。
\parinterval 正如之前所讲，卷积神经网络可以用于序列建模，同时具有并行性高和易于学习的特点，一个很自然的想法就是将其用作神经机器翻译模型中的特征提取器。因此，在神经机器翻译被提出之初，研究人员就已经开始利用卷积神经网络对句子进行表示。比较经典的模型是使用卷积神经网络作为源语言句子的编码器，使用循环神经网络作为目标语译文生成的解码器\upcite{kalchbrenner-blunsom-2013-recurrent,Gehring2017ACE}。之后也有研究人员提出完全基于卷积神经网络的翻译模型（ConvS2S）\upcite{DBLP:journals/corr/GehringAGYD17}，或者针对卷积层进行改进，提出效率更高、性能更好的模型\upcite{Kaiser2018DepthwiseSC,Wu2019PayLA}。本节将基于ConvS2S模型，阐述如何使用卷积神经网络搭建端到端神经机器翻译模型。
\parinterval ConvS2S模型是一种高并行的序列到序列的神经计算模型。该模型分别利用卷积网络对源语言端与目标语言端的输入数据进行特征提取，并使用注意力机制来捕获两个序列之间映射关系。相比于基于多层循环神经网络的GNMT模型\upcite{Wu2016GooglesNM}，其主要优势在于每一层的网络计算是完全并行化的，避免了循环神经网络中计算顺序对时序的依赖。同时，利用多层卷积神经网络的层级结构可以有效的捕捉序列不同位置之间的依赖。即使是远距离依赖，也可以通过若干层卷积单元进行有效的捕捉，而且其信息传递的路径相比循环神经网络更短。除此之外，模型同时使用门控线性单元、残差网络和位置编码等技术来进一步提升模型性能，达到了和GNMT模型相媲美的翻译性能，同时大大缩短了训练时间。
\parinterval ConvS2S模型是一种高并行的序列到序列的神经计算模型。该模型利用卷积网络分别对源语言端与目标语言端的序列进行特征提取，并使用注意力机制来捕获两个序列之间映射关系。相比于基于多层循环神经网络的GNMT模型\upcite{Wu2016GooglesNM}，其主要优势在于每一层的网络计算是完全并行化的，避免了循环神经网络中计算顺序对时序的依赖。同时，利用多层卷积神经网络的层级结构可以有效的捕捉序列不同位置之间的依赖。即使是远距离依赖，也可以通过若干层卷积单元进行有效的捕捉，而且其信息传递的路径相比循环神经网络更短。除此之外，模型同时使用门控线性单元、残差网络和位置编码等技术来进一步提升模型性能，达到了和GNMT模型相媲美的翻译性能，同时大大缩短了训练时间。
\parinterval 图\ref{fig:11-12}为ConvS2S模型的结构示意图，其内部由若干不同的模块组成，包括：
\begin{itemize}
\item {\small\bfnew{位置编码}}\index{位置编码}（Position Embedding）\index{Position Embedding}：图中绿色背景框表示源语端词嵌入部分，相比于RNN中的词嵌入，该模型还引入了位置编码，帮助模型获得词位置信息。位置编码具体实现在图\ref{fig:11-12}中没有显示，详见\ref{sec:11.2.1}节。
\item {\small\bfnew{位置编码}}\index{位置编码}（Position Embedding）\index{Position Embedding}：图中绿色背景框表示源语端词嵌入部分。相比于基于循环神经网络的翻译模型中的词嵌入，该模型还引入了位置编码，帮助模型获得词位置信息。位置编码具体实现在图\ref{fig:11-12}中没有显示，详见\ref{sec:11.2.1}节。
\item {\small\bfnew{卷积层与门控线性单元}}（Gated Linear Units, GLU）：黄色背景框是卷积模块，这里使用门控线性单元作为非线性函数，之前的研究工作\upcite{Dauphin2017LanguageMW}表明这种非线性函数更适合于序列建模任务。图中为了简化，只展示了一层卷积，但在实际中为了更好地捕获句子信息，通常使用多层卷积叠加计算。
\item {\small\bfnew{卷积层与门控线性单元}}（Gated Linear Units, GLU）：黄色背景框是卷积模块，这里使用门控线性单元作为非线性函数，之前的研究工作\upcite{Dauphin2017LanguageMW}表明这种非线性函数更适合于序列建模任务。图中为了简化，只展示了一层卷积，但在实际中为了更好地捕获句子信息，通常使用多层卷积的叠加。
\item {\small\bfnew{残差连接}}\index{残差连接}（Residual Connection）\index{Residual Connection}：对于源语言端和目标语言端的卷积层网络之间，都存在一个从输入到输出的额外连接，即跨层连接\upcite{DBLP:journals/corr/HeZRS15}。该连接方式确保每个隐层输出都能包含输入序列中的更多信息，同时能够有效促进深层网络的信息传递效率（该部分在图\ref{fig:11-12}中没有显示，具体结构详见\ref{sec:11.2.3}节）。
\item {\small\bfnew{多跳注意力机制}}\index{多跳注意力机制}(Multi-step Attention)\index{Multi-step Attention}：蓝色框内部展示了基于多跳结构的注意力机制模块\upcite{Sukhbaatar2015EndToEndMN}。ConvS2S模型同样使用注意力机制来捕捉源语言，区别于之前的做法，多跳注意力在解码端每一个层都会执行注意力操作。下面我们将以此模型为例对基于CNN的机器翻译模型进行介绍。
\item {\small\bfnew{多跳注意力机制}}\index{多跳注意力机制}（Multi-step Attention）\index{Multi-step Attention}：蓝色框内部展示了基于多跳结构的注意力机制模块\upcite{Sukhbaatar2015EndToEndMN}。ConvS2S模型同样使用注意力机制来捕捉两个序列之间不同位置的对应。区别于之前的做法，多跳注意力在解码端每一个层都会执行注意力操作。下面将以此模型为例对基于卷积神经网络的机器翻译模型进行介绍。
\end{itemize}
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......@@ -297,7 +298,7 @@
\noindent 其中$\sigma$为sigmoid函数，$\otimes$为按位乘运算。sigmoid将$\mathbi{B}$映射为0-1范围内的实数，用来充当门控。可以看到，门控卷积网络中核心部分就是$\sigma ( \mathbi{B} )$，通过这个门控单元来对卷积输出进行控制，确定保留哪些信息。同时，在梯度反向传播的过程中，这种机制使得不同层之间存在线性的通道，梯度传导更加简单，利于深层网络的训练。这种思想和下一节介绍的残差网络也很类似。
\parinterval 在ConvS2S模型中，为了保证卷积操作之后的序列长度不变，需要对输入进行填充，这一点已经在之前的章节中讨论过了。因此，在编码端每一次卷积操作前，需要对序列的头部和尾部分别做相应的填充（如图\ref{fig:11-14}输入部分）。而在解码端中，由于需要训练和解码的一致性，模型在训练过程中不能使用未来的信息，需要对未来信息进行屏蔽。从实践角度来看，只需要对解码端输入序列的头部填充$K-1$个空元素，其中$K$为卷积核的宽度（图\ref{fig:11-14-2}展示了卷积核宽度$K$=3时，解码端对输入序列的填充情况）。
\parinterval 在ConvS2S模型中，为了保证卷积操作之后的序列长度不变，需要对输入进行填充，这一点已经在之前的章节中讨论过了。因此，在编码端每一次卷积操作前，需要对序列的头部和尾部分别做相应的填充（如图\ref{fig:11-14}输入部分）。而在解码端中，由于需要训练和解码的一致性，模型在训练过程中不能使用未来的信息，需要对未来信息进行屏蔽。从实践角度来看，只需要对解码端输入序列的头部填充$K-1$个空元素，其中$K$为卷积核的宽度（图\ref{fig:11-14-2}展示了卷积核宽度$K$=3时，解码端对输入序列的填充情况）。
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% 图14-2.
......
Chapter16/chapter16.tex
......@@ -594,13 +594,21 @@ Joint training for neural machine translation models with monolingual data
\parinterval 直接进行无监督机器翻译是困难的。一个简单可行的思路是先把问题进行分解，然后分别解决各个子问题，最后形成完整的解决方案。放到无监督机器翻译里面，可以首先使用无监督方法寻找词与词之间的翻译，然后在这基础上，进一步得到句子到句子的翻译模型。
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% NEW SUB-SECTION
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\subsection{无监督词典归纳}\label{unsupervised-dictionary-induction}
\parinterval {\small\bfnew{词典归纳}}\index{词典归纳}（Bilingual Dictionary Induction，BDI\index{Bilingual Dictionary Induction}），也叫{\small\bfnew{词典推断}}，是实现语种间单词级别翻译的任务。在统计机器翻译中，词典归纳是一项核心的任务，它从双语平行语料中发掘互为翻译的单词，是翻译知识的主要来源\upcite{黄书剑0统计机器翻译中的词对齐研究}。在端到端神经机器翻译中，词典归纳通常作为一个下游任务被用到无监督机器翻译、多语言机器翻译等任务中。在神经机器翻译中，单词通过连续化的向量来表示，即词嵌入。所有单词分布在一个高维的空间中，基于人们对词嵌入空间的观察发现：连续的单词嵌入空间在各种语言中显示出类似的结构，这使得直接利用词嵌入来构建双语词典成为可能（{\color{red} 参考文献！}）。其基本想法是先将来自不同语言的词嵌入投影到共享嵌入空间中，然后在此共享空间中归纳出双语词典（{\color{red} 最好有一个图！}）。研究人员们进行了众多的尝试，较早的尝试是使用一个包含数千词对的种子词典作为锚点来学习从源语到目标语词嵌入空间的线性映射，将两个语言的词汇投影到共享的嵌入空间之后，执行一些对齐算法即可得到双语词典\upcite{DBLP:journals/corr/MikolovLS13}。最近的研究表明，词典归纳可以在更弱的监督信号下完成，这些监督信号来自数百对小词典\upcite{DBLP:conf/acl/VulicK16}、 相同的字符串\upcite{DBLP:conf/iclr/SmithTHH17}，甚至仅仅是共享的数字\upcite{DBLP:conf/acl/ArtetxeLA17}。
\parinterval {\small\bfnew{词典归纳}}\index{词典归纳}（Bilingual Dictionary Induction，BDI\index{Bilingual Dictionary Induction}），也叫{\small\bfnew{词典推断}}，是实现语种间单词级别翻译的任务。在统计机器翻译中，词典归纳是一项核心的任务，它从双语平行语料中发掘互为翻译的单词，是翻译知识的主要来源\upcite{黄书剑0统计机器翻译中的词对齐研究}。在端到端神经机器翻译中，词典归纳通常作为一个下游任务被用到无监督机器翻译、多语言机器翻译等任务中。在神经机器翻译中，单词通过连续化的向量来表示，即词嵌入。所有单词分布在一个高维的空间中，基于人们对词嵌入空间的观察发现：连续的单词嵌入空间在各种语言中显示出类似的结构，这使得直接利用词嵌入来构建双语词典成为可能\upcite{DBLP:journals/corr/MikolovLS13}。如图\ref{fig:16-1-lyf}所示，其基本想法是先将来自不同语言的词嵌入投影到共享嵌入空间中，然后在此共享空间中归纳出双语词典。研究人员们进行了众多的尝试，较早的尝试是使用一个包含数千词对的种子词典作为锚点来学习从源语到目标语词嵌入空间的线性映射，将两个语言的词汇投影到共享的嵌入空间之后，执行一些对齐算法即可得到双语词典\upcite{DBLP:journals/corr/MikolovLS13}。最近的研究表明，词典归纳可以在更弱的监督信号下完成，这些监督信号来自数百对小词典\upcite{DBLP:conf/acl/VulicK16}、 相同的字符串\upcite{DBLP:conf/iclr/SmithTHH17}，甚至仅仅是共享的数字\upcite{DBLP:conf/acl/ArtetxeLA17}。
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{Chapter16/Figures/figure-shared-space-inductive-bilingual-dictionary.png}
\caption{无监督词典归纳原理图（{\color{red} A->a}）}
\label{fig:16-1-lyf}
\end{figure}
\parinterval 研究人员也提出了完全无监督的词典归纳方法，这类方法不依赖于任何种子词典即可实现词典归纳，下面进行介绍。
......@@ -610,7 +618,7 @@ Joint training for neural machine translation models with monolingual data
\subsubsection{1. 方法框架}
\parinterval 无监督词典归纳的核心思想是充分利用词嵌入空间近似同构的假设（{\color{red} 参考文献！}），基于一些无监督匹配的方法来得到一个初始化的种子词典，之后利用该种子词典作为起始监督信号不断进行微调进一步提高性能。总结起来，无监督词典归纳系统通常包括以下两个阶段：
\parinterval 无监督词典归纳的核心思想是充分利用词嵌入空间近似同构的假设\upcite{DBLP:conf/emnlp/XuYOW18}，基于一些无监督匹配的方法来得到一个初始化的种子词典，之后利用该种子词典作为起始监督信号不断进行微调进一步提高性能。总结起来，无监督词典归纳系统通常包括以下两个阶段：
\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
......@@ -620,23 +628,23 @@ Joint training for neural machine translation models with monolingual data
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
\parinterval 其原理图XXX所示（{\color{red} 如果这个图是别人论文里的，需要加参考文献！}），包括：
\parinterval 其原理图\ref{fig:16-2-lyf}所示，包括：
\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item 对于图XX(a)中的分布在不同空间中的两个单语词嵌入$\mathbi{X}$和$\mathbi{Y}$，基于两者近似同构的假设，利用无监督匹配的方法来得到一个粗糙的线性映射$\mathbi{W}$，结果如图XX(b)所示。
\item 对于图\ref{fig:16-2-lyf}(a)中的分布在不同空间中的两个单语词嵌入$\mathbi{X}$和$\mathbi{Y}$，基于两者近似同构的假设，利用无监督匹配的方法来得到一个粗糙的线性映射$\mathbi{W}$，结果如图\ref{fig:16-2-lyf}(b)所示。
\vspace{0.5em}
\item 利用映射$\mathbi{W}$可以执行对齐算法从而归纳出一个种子词典，如图XX(c)所示。
\item 利用映射$\mathbi{W}$可以执行对齐算法从而归纳出一个种子词典，如图\ref{fig:16-2-lyf}(c)所示。
\vspace{0.5em}
\item 利用种子词典不断迭代微调进一步提高映射性能，最终映射的效果如图XX(d)所示，之后即可从中推断出词典作为最后的结果。
\item 利用种子词典不断迭代微调进一步提高映射性能，最终映射的效果如图\ref{fig:16-2-lyf}(d)所示，之后即可从中推断出词典作为最后的结果。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.6]{Chapter16/Figures/figure-bilingual-dictionary-Induction}
\caption{无监督词典归纳原理图（{\color{red} A->a}）}
\label{fig:16-1}
\caption{无监督词典归纳原理图（{\color{red} A->a}）\upcite{DBLP:conf/iclr/LampleCRDJ18}}
\label{fig:16-2-lyf}
\end{figure}
\parinterval 不同的无监督方法最大的区别主要在于第一阶段，获得初始种子词典的手段，第二阶段微调的原理都大同小异。第一阶段的主流方法主要有两大类：
......@@ -649,29 +657,20 @@ Joint training for neural machine translation models with monolingual data
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
\parinterval 在得到映射$\mathbi{W}$之后，对于$\mathbi{X}$中的任意一个单词$x$，通过$W_x$将其映射到空间$\mathbi{Y}$中，然后在$\mathbi{Y}$中找到该点的最近邻点$y$，于是$y$就是$x$的翻译词，重复该过程即可归纳出种子词典D，第一阶段结束。事实上，由于第一阶段缺乏监督信号，得到的种子词典D会包含大量的噪音，性能并不高，因此需要进行进一步的微调。
\parinterval 在得到映射$\mathbi{W}$之后，对于$\mathbi{X}$中的任意一个单词$x_{i}$，通过$\mathbi{W}\cdot \mathbi{E}({x}_{i})$将其映射到空间$\mathbi{Y}$中（$\mathbi{E}({x}_{i})$表示的是单词$x_{i}$的词嵌入向量），然后在$\mathbi{Y}$中找到该点的最近邻点$y_{j}$，于是$y_{j}$就是$x_{i}$的翻译词，重复该过程即可归纳出种子词典$D$，第一阶段结束。事实上，由于第一阶段缺乏监督信号，得到的种子词典$D$会包含大量的噪音，性能并不高，因此需要进行进一步的微调。
\parinterval 微调的原理普遍基于普氏分析\upcite{DBLP:journals/corr/MikolovLS13}。假设现在有一个种子词典$D=\left\{x_{i}, y_{i}\right\}$其中${i \in\{1, n\}}$，和两个单语词嵌入$\mathbi{X}$和$\mathbi{Y}$，那么就可以将D作为{\small\bfnew{映射锚点}}\index{映射锚点}（Anchor\index{Anchor}）学习一个转移矩阵$\mathbi{W}$，使得$\mathbi{W}\cdot \mathbi{X}$与$\mathbi{Y}$这两个空间尽可能相近，此外通过对$\mathbi{W}$施加正交约束可以显著提高能\upcite{DBLP:conf/naacl/XingWLL15}，于是这个优化问题就转变成了{\small\bfnew{普鲁克问题}}\index{普鲁克问题}（Procrustes Problem\index{Procrustes Problem}）\upcite{DBLP:conf/iclr/SmithTHH17}，可以通过{\small\bfnew{奇异值分解}}\index{奇异值分解}（Singular Value Decomposition，SVD\index{Singular Value Decomposition，SVD}）来获得近似解：
\parinterval 微调的原理普遍基于普氏分析\upcite{DBLP:journals/corr/MikolovLS13}。假设现在有一个种子词典$D=\left\{x_{i}, y_{i}\right\}$其中${i \in\{1, n\}}$，和两个单语词嵌入$\mathbi{X}$和$\mathbi{Y}$，那么就可以将$D$作为{\small\bfnew{映射锚点}}\index{映射锚点}（Anchor\index{Anchor}）学习一个转移矩阵$\mathbi{W}$，使得$\mathbi{W}\cdot \mathbi{X}$与$\mathbi{Y}$这两个空间尽可能相近，此外通过对$\mathbi{W}$施加正交约束可以显著提高能\upcite{DBLP:conf/naacl/XingWLL15}，于是这个优化问题就转变成了{\small\bfnew{普鲁克问题}}\index{普鲁克问题}（Procrustes Problem\index{Procrustes Problem}）\upcite{DBLP:conf/iclr/SmithTHH17}，可以通过{\small\bfnew{奇异值分解}}\index{奇异值分解}（Singular Value Decomposition，SVD\index{Singular Value Decomposition，SVD}）来获得近似解：
\begin{eqnarray}
\mathbi{W}^{\star} & = &\underset{\mathbi{W} \in O_{d}(\mathbb{R})}{\operatorname{argmin}}\|\mathbi{W}\cdot \mathbi{X}- \mathbi{Y} \|_{\mathrm{F}}=\mathbi{U}\cdot \mathbi{V}^{T} \\
\textrm{s.t.\ \ \ \ } \mathbi{U} \Sigma \mathbi{V}^{T} &= &\operatorname{SVD}\left(\mathbi{Y}\cdot \mathbi{X}^{T}\right)
\mathbi{W}^{\star} & = &\underset{\mathbi{W} \in O_{d}(\mathbb{R})}{\operatorname{argmin}}\|\mathbi{W}\cdot \mathbi{X}'- \mathbi{Y}' \|_{\mathrm{F}}=\mathbi{U}\cdot \mathbi{V}^{\rm{T}} \\
\textrm{s.t.\ \ \ \ } \mathbi{U} \Sigma \mathbi{V}^{\rm{T}} &= &\operatorname{SVD}\left(\mathbi{Y}'\cdot \mathbi{X}'^{\rm{T}}\right)
\label{eq:16-1}
\end{eqnarray}
\noindent 其中，{\color{red} $\operatorname{SVD}(\cdot)$表示XXX}，$\mathbi{Y}$和$\mathbi{X}$行对齐。利用上式可以获得新的$\mathbi{W}$，通过$\mathbi{W}$可以归纳出新的D，如此迭代进行微调最后即可以得到收敛的D。
\parinterval 目前，无监督词典归纳工作主要集中在两个方向，一个方向是通过用新的建模方法或改进上述两阶段方法来提升无监督词典归纳的性能。{\color{red} 稍微扩展一下说，把下面的参考文献使用上可以}。
\noindent 其中， $\operatorname{SVD}(\cdot)$表示奇异值分解，$\mathbi{Y}'$和$\mathbi{X}'$中的单词来自$D$且行对齐。利用上式可以获得新的$\mathbi{W}$，通过$\mathbi{W}$可以归纳出新的$D$，如此迭代进行微调最后即可以得到收敛的$D$。
\parinterval 另外一个方向是旨在分析或提升无监督词典归纳的鲁棒性。{\color{red} 稍微扩展一下说，把下面的参考文献使用上可以}。
\parinterval 较早的无监督方法是基于GAN\upcite{DBLP:conf/acl/ZhangLLS17,DBLP:conf/emnlp/ZhangLLS17,DBLP:conf/iclr/LampleCRDJ18}，这是一个很自然的想法，利用生成器产生映射然后用判别器来区别两个空间，尽管它取得了不错的效果，然而研究表明GAN缺乏稳定性，容易在低资源语言对上失败\upcite{hartmann2018empirical}，因此有不少改进的工作，比如：利用变分自编码器（Variational Autoencoders，VAEs）来捕获更深层次的语义信息并结合对抗训练的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/DouZH18,DBLP:conf/naacl/MohiuddinJ19}；通过改进最近邻点的度量函数来提升性能的方法\upcite{DBLP:conf/acl/HuangQC19,DBLP:conf/emnlp/JoulinBMJG18}；利用多语言信号来提升性能的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/ChenC18,DBLP:conf/emnlp/TaitelbaumCG19,DBLP:journals/corr/abs-1811-01124,DBLP:conf/naacl/HeymanVVM19}；也有一些工作舍弃GAN，通过直接优化度量空间距离来进行匹配的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/HoshenW18,DBLP:conf/emnlp/XuYOW18,DBLP:conf/emnlp/Alvarez-MelisJ18,DBLP:conf/emnlp/MukherjeeYH18}。此外，也有一些工作是旨在分析或提升无监督词典归纳的鲁棒性。比如通过大量实验来分析无监督词典归纳任务的局限性、难点以及挑战\upcite{DBLP:conf/acl/SogaardVR18,DBLP:conf/acl/OrmazabalALSA19,DBLP:conf/emnlp/VulicGRK19,DBLP:conf/emnlp/HartmannKS18}；分析和对比目前各种无监督方法的性能\upcite{DBLP:conf/nips/HartmannKS19}；通过实验分析指出目前所用的数据集存在的问题\upcite{DBLP:conf/emnlp/Kementchedjhieva19}。
{\color{red} 下面有些罗列的感觉，不能这么写，还是要有一些提炼和归纳。}
\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item 提升词典归纳的性能。比如，基于变分自编码器（Variational Autoencoders，VAEs）的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/DouZH18}；基于PCA的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/HoshenW18}；基于语言模型和噪声自编码器的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/KimGN18}；基于互信息的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/MukherjeeYH18}；基于GAN的方法（WORD TRANSLATION WITHOUT PARALLEL DATA）；基于Gromov-Wasserstein匹配的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/Alvarez-MelisJ18}；多语言无监督词典归纳\upcite{DBLP:conf/emnlp/ChenC18,DBLP:conf/emnlp/TaitelbaumCG19,DBLP:journals/corr/abs-1811-01124,DBLP:conf/naacl/HeymanVVM19}；基于Sinkhorn距离和反向翻译的方法\upcite{DBLP:conf/emnlp/XuYOW18}；改进归纳阶段寻找最近邻点的度量函数\upcite{DBLP:conf/acl/HuangQC19}；基于对抗自编码器的方法\upcite{DBLP:conf/naacl/MohiuddinJ19}；基于语言形态学感知的方法\upcite{DBLP:conf/acl/YangLCLS19}；基于无监督机器翻译的方法\upcite{DBLP:conf/acl/ArtetxeLA19a}；基于后处理embedding的方法\upcite{DBLP:conf/rep4nlp/VulicKG20}。
\item 分析或提升无监督词典归纳的鲁棒性。分析无监督词典归纳的局限性\upcite{DBLP:conf/acl/SogaardVR18,DBLP:conf/acl/OrmazabalALSA19,DBLP:conf/emnlp/VulicGRK19}；提出新的初始化方法和改进迭代阶段\upcite{DBLP:conf/lrec/GarneauGBDL20}；改进优化目标函数\upcite{DBLP:conf/emnlp/JoulinBMJG18}；通过降维改进初始化阶段\upcite{A2020Li}；分析基于GAN方法的稳定性\upcite{hartmann2018empirical}；分析和对比各种无监督方法性能\upcite{DBLP:conf/nips/HartmannKS19}；分析无监督对齐方法的挑战和难点\upcite{DBLP:conf/emnlp/HartmannKS18}；通过实验分析指出目前所用的数据集存在一些问题\upcite{DBLP:conf/emnlp/Kementchedjhieva19}。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
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% NEW SUB-SECTION
......
bibliography.bib
......@@ -7177,6 +7177,65 @@ author = {Yoshua Bengio and
volume = {abs/1309.4168},
year = {2013}
}
@article{DBLP:journals/corr/MikolovLS13,
author = {Tomas Mikolov and
Quoc V. Le and
Ilya Sutskever},
title = {Exploiting Similarities among Languages for Machine Translation},
journal = {CoRR},
volume = {abs/1309.4168},
year = {2013}
}
@inproceedings{DBLP:conf/emnlp/XuYOW18,
author = {Ruochen Xu and
Yiming Yang and
Naoki Otani and
Yuexin Wu},
title = {Unsupervised Cross-lingual Transfer of Word Embedding Spaces},
pages = {2465--2474},
publisher = {Association for Computational Linguistics},
year = {2018}
}
@inproceedings{DBLP:conf/iclr/LampleCRDJ18,
author = {Guillaume Lample and
Alexis Conneau and
Marc'Aurelio Ranzato and
Ludovic Denoyer and
Herv{\'{e}} J{\'{e}}gou},
title = {Word translation without parallel data},
publisher = {International Conference on Learning Representations},
year = {2018}
}
@inproceedings{DBLP:conf/emnlp/ZhangLLS17,
author = {Meng Zhang and
Yang Liu and
Huanbo Luan and
Maosong Sun},
title = {Earth Mover's Distance Minimization for Unsupervised Bilingual Lexicon
Induction},
pages = {1934--1945},
publisher = {Conference on Empirical Methods in Natural Language Processing},
year = {2017}
}
@inproceedings{DBLP:conf/naacl/MohiuddinJ19,
author = {Tasnim Mohiuddin and
Shafiq R. Joty},
title = {Revisiting Adversarial Autoencoder for Unsupervised Word Translation
with Cycle Consistency and Improved Training},
pages = {3857--3867},
publisher = {Association for Computational Linguistics},
year = {2019}
}
%%%%% chapter 16------------------------------------------------------
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