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Chapter14/chapter14.tex
......@@ -564,7 +564,7 @@ b &=& \omega_{\textrm{high}}\cdot |\seq{x}| \label{eq:14-4}
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\begin{figure}[htp]
\centering
\input{}
% \input{}
\caption{引入重排序模块的非自回归模型}
\label{fig:14-22}
\end{figure}
......@@ -704,7 +704,7 @@ b &=& \omega_{\textrm{high}}\cdot |\seq{x}| \label{eq:14-4}
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\parinterval 有了lattice 这样的结构，多模型融合又有了新的思路。首先，可以将多个模型的译文融合为lattice。注意，这个lattice 会包含这些模型无法生成的完整译文句子。之后，用一个更强的模型在lattice 上搜索最优的结果。这个过程有可能找到一些“新”的译文，即结果可能是从多个模型的结果中重组而来的。lattice 上的搜索模型可以基于多模型的融合，也可以使用一个简单的模型，这里需要考虑的是将神经机器翻译模型适应到lattice 上进行推断\upcite{DBLP:conf/aaai/SuTXJSL17}。其过程基本与原始的模型推断没有区别，只是需要把模型预测的结果附着到lattice 中的每条边上，再进行推断。
\parinterval 图\ref{fig:14-11}对比了不同模型集成方法的区别。从系统开发的角度看，假设选择和模型预测融合的复杂度较低，适合快速原型，而且性能稳定。译文重组需要更多的模块，系统调试的复杂度较高，但是由于看到了更大的搜索空间，因此系统性能提升的潜力较大\footnote{一般来说lattice 上的Oracle 要比nbest译文上的Oracle 的质量高。}。
\parinterval 图\ref{fig:14-11}对比了不同模型集成方法的区别。从系统开发的角度看，假设选择和模型预测融合的复杂度较低，适合快速原型，而且性能稳定。译文重组需要更多的模块，系统调试的复杂度较高，但是由于看到了更大的搜索空间，因此系统性能提升的潜力较大\footnote{一般来说lattice 上的Oracle 要比$n$-best译文上的Oracle 的质量高。}。
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\begin{figure}[htp]
......@@ -721,17 +721,19 @@ 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、小巧的推断系统是机器翻译能够被大规模使用的前置条件。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问题、非自回归翻译、多模型集成等问题。但是，由于推断问题涉及方向十分广泛，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}
\vspace{0.5em}
\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，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的会更加细致\upcite{Beal2003VariationalAF}。这类方法也被成功的用于统计机器翻译\upcite{Li2009VariationalDF,xiao2011language,}和神经机器翻译\upcite{Bastings2019ModelingLS,Shah2018GenerativeNM,Su2018VariationalRN,Zhang2016VariationalNM}。
\vspace{0.5em}
\item 更加高效的网络结构是神经机器翻译模型的一大发展趋势，目前主要工作集中在结构化剪枝、减少模型的冗余计算、低秩分解。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层，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层即可取得与多层相媲美的翻译精度，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}。
\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层，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}。
\vspace{0.5em}
\item 机器翻译实际部署时，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}、注意力头剪枝\upcite{Michel2019AreSH,DBLP:journals/corr/abs-1905-09418}、网络层\upcite{Liu2019RethinkingTV}以及其他部分的剪枝等\upcite{Liu2017LearningEC}，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}。知识蒸馏又名知识精炼，一些方法还将BERT 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 机器翻译推断系统实际部署时，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}。知识蒸馏又名知识精炼，一些方法还将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，预测时不在位置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。一种做法提出了对齐交叉熵函数\upcite{Ghazvininejad2020AlignedCE}，其基于标签序列和目标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。另一种做法提出了一种基于$n$元词袋的训练目标\upcite{Shao2020MinimizingTB}，希望能最小化模型与参考译文间$n$元词袋的差异。该训练目标在$n$元组的层面上评估预测结果，因此能够建模序列依赖关系。
\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，预测时不在位置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}，其基于标签序列和目标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\upcite{Ma2019FlowSeqNC}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；另外一种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}；还有一种引入了一种轻量级的重排序模块来显式的建模重排序信息，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\upcite{Ma2019FlowSeqNC}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；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，也有研究者提出了轻量级的重排序模块来显式的建模重排序信息，以指导非自回归模型的解码\upcite{Ran2019GuidingNN}。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
......
Chapter16/chapter16.tex
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\begin{figure}[htp]
\centering
\input{./Chapter16/Figures/figure-application-process-of-back-translation}
\caption{\red{回译方法的流程(新)}}
\caption{\red{回译方法的流程(新)} {\color{blue} 图比以前清晰了，但是还是有些乱，可能你陷入到固有思维里了，可以找我再讨论下！}}
\label{fig:16-1-xc}
\end{figure}
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\parinterval 通常认为，反向模型的性能越好，生成的源语言译文质量越高，从而伪数据的分布和真实数据的分布越接近。
\parinterval 围绕如何利用回译方法生成伪双语数据，研究人员们进行了详细的分析探讨。一般观点认为，反向模型的性能越好，生成的伪数据质量也就更高，对正向模型的性能提升也就越大\upcite{Sennrich2016ImprovingNM,DBLP:conf/aclnmt/HoangKHC18}。不过，在实践中发现，即使一些简单的策略也能带来性能的增长。比如，对于一些低资源翻译任务，通过将目标语句子复制到源语言端构造的伪数据都能为模型带来增益\upcite{DBLP:conf/wmt/CurreyBH17}。原因在于，即使构造的双语伪数据是不准确的，其目标语言端仍然是真实数据，可以使解码器训练地更加充分，因此保证了神经机器翻译模型生成结果的流畅度。但是，相比这些简单的伪数据生成策略，利用目标语言单语数据进行回译可以获得更高质量的数据\upcite{DBLP:conf/wmt/CurreyBH17}。一种可能的解释是，双语伪数据的源语言是模型生成的翻译结果，保留了两种语言之间的互译信息，相比真实数据又存在一定的噪声。神经机器翻译模型在伪双语句对上进行训练，可以学习到如何处理带有噪声的输入，提高了模型的鲁棒性。
\parinterval 围绕如何利用回译方法生成伪双语数据，研究人员们进行了详细的分析探讨。一般观点认为，反向模型的性能越好，生成的伪数据质量也就更高，对正向模型的性能提升也就越大\upcite{Sennrich2016ImprovingNM,DBLP:conf/aclnmt/HoangKHC18}。不过，在实践中发现，即使一些简单的策略也能带来性能的增长。比如，对于一些低资源翻译任务，通过将目标语句子复制到源语言端构造的伪数据都能为模型带来增益\upcite{DBLP:conf/wmt/CurreyBH17}。原因在于，即使构造的双语伪数据是不准确的，其目标语言端仍然是真实数据，可以使解码器训练地更加充分，因此保证了神经机器翻译模型生成结果的流畅度。但是，相比这些简单的伪数据生成策略，利用目标语言单语数据进行回译可以获得更高质量的数据\upcite{DBLP:conf/wmt/CurreyBH17}。一种可能的解释是，双语伪数据的源语言是模型生成的翻译结果，保留了两种语言之间的互译信息，相比真实数据又存在一定的噪声。神经机器翻译模型在伪双语句对上进行训练，可以学习到如何处理带有噪声的输入，提高了模型的健壮性。
\parinterval 在回译方法中，反向翻译模型的训练只依赖于有限的双语数据，因此生成的源语言端伪数据的质量难以保证。为此，可以采用{\small\sffamily\bfnew{迭代式回译}}\index{迭代式回译}（Iterative Back Translation）\index{Iterative Back Translation}的方法\upcite{DBLP:conf/aclnmt/HoangKHC18}，同时利用源语言端和目标语言端的单语数据，不断通过回译的方式来提升正向和反向翻译模型的性能。图\ref{fig:16-2-xc}展示了迭代式回译的框架。首先，使用双语数据训练一个正向翻译模型，然后利用源语言单语数据通过回译的方式生成伪双语数据，来提升反向翻译模型的性能，再利用反向翻译模型和目标语言单语数据生成伪双语数据，用于提升正向翻译模型的性能。可以看出，迭代式回译的过程是完全闭环的，因此可以一直重复进行，直到正向和反向翻译模型的性能均不再提升。
......@@ -68,14 +66,14 @@
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{./Chapter16/Figures/figure-example-of-iterative-back-translation}
\caption{\red{迭代式回译方法的流程，未修改}}
\caption{\red{迭代式回译方法的流程，未修改} {\color{blue} 这个图的逻辑我觉得是ok的，主要是这些线和过程需要再清晰一下，再找我讨论下！}}
\label{fig:16-2-xc}
\end{figure}
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\parinterval 然而，研究人员发现，在低资源场景，由于缺乏双语数据，高质量的伪双语数据对于模型来说更有帮助。而在富资源场景下，对回译产生的源语言句子添加一些噪声，提高翻译结果的多样性，反而可以达到更好的效果，比较常用的方法是使用采样、$n$-best解码和加噪\upcite{DBLP:conf/emnlp/EdunovOAG18,DBLP:conf/aclnmt/ImamuraFS18,DBLP:conf/emnlp/WuWXQLL19}。{\color{red} 许：这里应该是TopK，跟老师再确认一下，nbest一般指生成的翻译结果吧，topk指的是预测概率前k的词}
\parinterval 然而，研究人员发现，在低资源场景中，由于缺乏双语数据，高质量的伪双语数据对于模型来说更有帮助。而在富资源场景下，对回译产生的源语言句子添加一些噪声，提高翻译结果的多样性，反而可以达到更好的效果，比较常用的方法是使用采样、Top-$k$解码和加噪\upcite{DBLP:conf/emnlp/EdunovOAG18,DBLP:conf/aclnmt/ImamuraFS18,DBLP:conf/emnlp/WuWXQLL19}。{\color{red} 许：这里应该是TopK，跟老师再确认一下，nbest一般指生成的翻译结果吧，topk指的是预测概率前k的词} {\color{blue} 你说的对，topk如果是k个词，没问题，不用nbest即可，但是这个地方需要解释一下啥是topk解码，或者在脚注里说明}
\parinterval 回译常用的解码方式为束搜索，在生成每个词的时候只考虑预测概率最高的词，因此生成的翻译结果质量更高，但导致的问题是翻译结果主要集中在部分高频词上，生成的伪数据缺乏多样性，也就很难去准确地覆盖真实的数据分布\upcite{DBLP:conf/icml/OttAGR18}。采样解码是指在解码过程中，对词表中所有的词按照预测概率进行随机采样，因此整个词表中的词都有可能被选中，从而使生成结果更具多样性，但翻译质量和流畅度也会明显下降。$n$-best解码是对束搜索和采样解码的一个折中方法。在解码过程中，$n$-best解码对词表中预测概率最高的前$n$个词进行随机采样，这样在保证翻译结果准确性的前提下，也提高了结果的多样性。加噪方法对束搜索的解码结果加入一些噪声，如丢掉或掩码部分词、打乱句子顺序等，可以参考\ref{add-noise}。这些方法在生成的源语言句子中引入了噪声，不仅提高了对包含低频词或噪声句子的训练次数，同时也可以提高模型的鲁棒性和泛化能力\upcite{DBLP:conf/icml/VincentLBM08}。
\parinterval 回译中常用的解码方式为束搜索，在生成每个词的时候只考虑预测概率最高的词，因此生成的翻译结果质量更高，但导致的问题是翻译结果主要集中在部分高频词上，生成的伪数据缺乏多样性，也就很难去准确地覆盖真实的数据分布\upcite{DBLP:conf/icml/OttAGR18}。采样解码是指在解码过程中，对词表中所有的词按照预测概率进行随机采样，因此整个词表中的词都有可能被选中，从而使生成结果更具多样性，但翻译质量和流畅度也会明显下降。Top-$k$解码是对束搜索和采样解码的一个折中方法。在解码过程中，Top-$k$解码对词表中预测概率最高的前$k$个词进行随机采样，这样在保证翻译结果准确性的前提下，也提高了结果的多样性。加噪方法对束搜索的解码结果加入一些噪声，如丢掉或掩码部分词、打乱句子顺序等。这些方法在生成的源语言句子中引入了噪声，不仅提高了对包含低频词或噪声句子的训练次数，同时也可以提高模型的鲁棒性和泛化能力\upcite{DBLP:conf/icml/VincentLBM08}。
\parinterval 与回译方法类似，源语言的单语数据也可以通过一个双语数据训练的正向翻译模型获得对应的目标语译文，从而构造正向翻译的伪数据\upcite{DBLP:conf/emnlp/ZhangZ16}。与回译方法相反，这时的伪数据中源语言句子是真实的，而目标语言句子是生成的，构造的伪数据对译文的流畅性并没有太大帮助，其主要作用是提升了编码器的特征提取能力。然而，由于伪数据中生成的译文质量很难保证，因此利用正向翻译模型生成伪数据的方法带来的性能提升效果要弱于回译，甚至可能是有害的\upcite{DBLP:conf/emnlp/WuWXQLL19}。
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\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item {\small\sffamily\bfnew{加噪}}\label{add-noise} （{\color{red}许： 用四级标题？}{\color{red} 四级标题感觉不是很合适，考虑是否把修改双语数据这节的内容精简一下，就不用标题了，每个方法分段去写}）
\item {\small\sffamily\bfnew{加噪}}\label{add-noise} （{\color{red}许： 用四级标题？}{\color{red} 四级标题感觉不是很合适，考虑是否把修改双语数据这节的内容精简一下，就不用标题了，每个方法分段去写} {\color{blue} 可以！！！}）
\parinterval 加噪是自然语言处理任务中广泛使用的一种方法\upcite{DBLP:conf/icml/VincentLBM08,DBLP:journals/ipm/FarhanTAJATT20,DBLP:conf/iclr/LampleCDR18,devlin2019bert}。比如，在广泛使用的降噪自编码器中，在原始数据中加入噪声作为模型的输入，模型通过学习如何预测原始数据进行训练。而在神经机器翻译中，利用加噪方法进行数据增强的常用方法是，在保证句子整体语义的情况下，对原始的双语数据适当加入一些噪声，从而生成伪双语数据来增加训练数据的规模。常用的加噪方法主要有以下三种：
\parinterval 加噪是自然语言处理任务中广泛使用的一种方法\upcite{DBLP:conf/icml/VincentLBM08,DBLP:journals/ipm/FarhanTAJATT20,DBLP:conf/iclr/LampleCDR18,devlin2019bert}。比如，在广泛使用的降噪自编码器中（{\color{blue} 降噪自编码是第一次出现不？如果是，需要加粗，并加英文和index。焱洋那部分就不用写了。}），在原始数据中加入噪声作为模型的输入，模型通过学习如何预测原始数据进行训练。而在神经机器翻译中，利用加噪方法进行数据增强的常用方法是，在保证句子整体语义的情况下，对原始的双语数据适当加入一些噪声，从而生成伪双语数据来增加训练数据的规模。常用的加噪方法主要有以下三种：
\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
......@@ -99,7 +97,7 @@
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
\parinterval 图\ref{fig:16-4-xc}展示了三种加噪方法的示例。这里，$\funp{P}_{\rm{Drop}}$和$\funp{P}_{\rm{Mask}}$均设置为0.1，表示每个词有$10\%$的概率被丢弃或掩码。打乱顺序的操作略微复杂，一种实现方法是，通过一个数字来表示每个词在句子中的位置，如“我”是第一个词，“你”是第三个词，然后，在每个位置生成一个$1$到$n$的随机数，$n$一般设置为3，然后将每个词的位置数和对应的随机数相加，即图中的$\mathbi{S}$。 对$\mathbi{S}$ 按照从小到大排序，根据排序后每个位置的索引从原始句子中选择对应的词，从而得到最终打乱顺序后的结果。比如，在排序后，$S_2$的值小于$S_1$，其余词则保持递增顺序，则将原始句子中的第零个词和第一个词的顺序进行交换，其他词保持不变。
\parinterval 图\ref{fig:16-4-xc}展示了三种加噪方法的示例。这里，$\funp{P}_{\rm{Drop}}$和$\funp{P}_{\rm{Mask}}$均设置为0.1，表示每个词有$10\%$的概率被丢弃或掩码。打乱顺序的操作略微复杂，一种实现方法是，通过一个数字来表示每个词在句子中的位置，如“我”是第一个词，“你”是第三个词，然后，在每个位置生成一个$1$到$n$的随机数，$n$一般设置为3，然后将每个词的位置数和对应的随机数相加，即图中的$\mathbi{S}$（{\color{blue} S为啥要加粗？？？}）。 对$\mathbi{S}$ 按照从小到大排序，根据排序后每个位置的索引从原始句子中选择对应的词，从而得到最终打乱顺序后的结果。比如，在排序后，$S_2$的值小于$S_1$，其余词则保持递增顺序，则将原始句子中的第零个词和第一个词的顺序进行交换，其他词保持不变。
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\begin{figure}[htp]
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\vspace{0.5em}
\item 训练降噪自编码器。将加噪后的句子作为输入，原始句子作为输出，用来训练降噪自编码器，这一思想在无监督机器翻译中得到了广泛应用，详细方法可以参考\ref{unsupervised-NMT}节；
\vspace{0.5em}
\item 对伪数据进行加噪。比如在\ref{add-noise}中提到的对伪数据加入噪声的方法中，通常也使用上述这三种加噪方法来提高伪数据的多样性；
\item 对伪数据进行加噪。比如在上文中提到的对伪数据加入噪声的方法中，通常也使用上述这三种加噪方法来提高伪数据的多样性；
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
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\parinterval 此外，通过在源语言或目标语言中随机选择某些词，将这些词替换为词表中随机的一个词，也可以得到伪双语数据\upcite{DBLP:conf/emnlp/WangPDN18}；随机选择句子中的某个词，将这个词的词嵌入替换为其他词的词嵌入加权表示融合，权重可以通过语言模型来计算，相比离散的替换方式（替换为其他词等），这种丰富的分布式表示相比词嵌入可以包含更多的语义信息，同一个词在不同的上下文也会被替换为不同的上下文表示\upcite{DBLP:conf/acl/GaoZWXQCZL19}。{\color{red} 许：可以再找几篇}
\vspace{0.5em}
\item {\small\sffamily\bfnew{转述}}{\color{red} 许：没有找到NMT上进行数据增强的强相关工作，如果内容较少就放在扩展阅读，找到其他内容的话再扩充}
\item {\small\sffamily\bfnew{转述}}{\color{red} 许：没有找到NMT上进行数据增强的强相关工作，如果内容较少就放在扩展阅读，找到其他内容的话再扩充}{\color{blue} 这部分可以，还是放到这儿吧，转述还是很重要的技术！}
\parinterval 相比上述两种方法只是对句子做轻微的修改，{\small\bfnew{转述}}(Paraphrasing)\index{转述}\index{Paraphrasing}方法考虑到了自然语言表达的多样性，通过对原始句子进行改写，使用不同的句式来传达相同含义的信息\upcite{DBLP:journals/coling/BhagatH13,2010Generating}。比如对于“东北大学NLP实验室的室训是精益求精、百炼成钢。”这句话，可以使用其他的句式来表达同样的含义，“精益求精、百炼成钢是东北大学NLP实验室的室训”。转述在机器翻译任务上得到了广泛引用\upcite{DBLP:conf/wmt/GuoH19,DBLP:conf/acl/ZhouSW19,DBLP:conf/eacl/LapataSM17}。通过转述方法对原始的双语数据进行改写，训练数据可以覆盖更多的语言学现象，同时由于每个句子可以对应多个不同的翻译，可以避免模型过拟合，提高泛化能力。
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\parinterval 可比语料大多存在于网页中，内容较为复杂，可能会存在较大比例的噪声干扰，如HTML字符、乱码等。首先需要对内容进行充分的数据清洗操作，得到干净的可比语料，然后从中抽取出可用的双语句对。传统的抽取方法一般通过统计模型或双语词典来得到，比如，通过计算两个不同语言句子之间的单词重叠数或BLEU值\upcite{finding2006adafre,method2008keiji}；通过排序模型或二分类器判断一个目标语言句子和一个源语言句子互译的可能性\upcite{DBLP:journals/coling/MunteanuM05,DBLP:conf/naacl/SmithQT10}。
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\parinterval 另外一种比较有效的方法是根据两种语言中每个句子的表示向量来抽取\upcite{DBLP:conf/emnlp/WuZHGQLL19}。首先，对于两种语言的每个句子，分别使用词嵌入加权平均等方法计算得到句子的表示向量，然后计算每个源语言句子和目标语言句子之间的余弦相似度，相似度大于一定阈值的句对则认为是可用的双语句对\upcite{DBLP:conf/emnlp/WuZHGQLL19}。然而，不同语言单独训练得到的词嵌入可能多对应不同的表示空间，因此得到的表示向量无法用于衡量两个句子的相似度\upcite{DBLP:journals/corr/MikolovLS13}。为了解决这个问题，一般使用在同一表示空间的跨语言词嵌入来表示两种语言的单词\upcite{DBLP:journals/jair/RuderVS19}。在跨语言词嵌入中，不同语言相同意思的词对应的词嵌入具有较高的相似性，因此得到的句向量也就可以用于衡量两个句子是否表示相似的语义\upcite{DBLP:conf/icml/LeM14}。关于跨语言词嵌入的具体内容，可以参考\ref{unsupervised-dictionary-induction}节的内容。
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\parinterval 另外一种比较有效的方法是根据两种语言中每个句子的表示向量来抽取\upcite{DBLP:conf/emnlp/WuZHGQLL19}。首先，对于两种语言的每个句子，分别使用词嵌入加权平均等方法计算得到句子的表示向量，然后计算每个源语言句子和目标语言句子之间的余弦相似度，相似度大于一定阈值的句对则认为是可用的双语句对\upcite{DBLP:conf/emnlp/WuZHGQLL19}。然而，不同语言单独训练得到的词嵌入可能多对应不同的表示空间，因此得到的表示向量无法用于衡量两个句子的相似度\upcite{DBLP:journals/corr/MikolovLS13}。为了解决这个问题，一般使用在同一表示空间的跨语言词嵌入来表示两种语言的单词\upcite{DBLP:journals/jair/RuderVS19}。在跨语言词嵌入中，不同语言相同意思的词对应的词嵌入具有较高的相似性，因此得到的句向量也就可以用于衡量两个句子是否表示相似的语义\upcite{DBLP:conf/icml/LeM14}。关于跨语言词嵌入的具体内容，可以参考\ref{unsupervised-dictionary-induction}小节。
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\parinterval 除了构造双语数据进行数据增强，直接利用单语数据也是机器翻译中的常用方法。通常，单语数据会被用于语言模型的学习（见{\chaptertwo}）。对于机器翻译系统，使用语言模型也是一件十分“自然”的事情。在目标语言端，语言模型可以帮助系统产生更加流畅的译文。在源语言端，语言模型也可以用于句子编码，进而更好地生成句子的表示结果。在传统方法中，语言模型更多的被使用在目标语端。不过，近些年来随着预训练技术的发展，语言模型也被使用在神经机器翻译的编码端。下面从语言模型在目标端的融合、预训练词嵌入、预训练编码器和多任务学习等方向介绍基于语言模型的单语数据使用方法。
\parinterval 除了构造双语数据进行数据增强，直接利用单语数据也是机器翻译中的常用方法。通常，单语数据会被用于语言模型的学习（见{\chaptertwo}）。对于机器翻译系统，使用语言模型也是一件十分自然的事情。在目标语言端，语言模型可以帮助系统产生更加流畅的译文。在源语言端，语言模型也可以用于句子编码，进而更好地生成句子的表示结果。在传统方法中，语言模型更多的被使用在目标语端。不过，近些年来随着预训练技术的发展，语言模型也被使用在神经机器翻译的编码端。下面从语言模型在目标端的融合、预训练词嵌入、预训练编码器和多任务学习等方向介绍基于语言模型的单语数据使用方法。
\subsubsection{1. 语言模型在目标端的融合}（{\color{red}许：这部分介绍有点详细，跟其他部分的风格有点不统一，是否需要重新组织一下？}）
\subsubsection{1. 语言模型在目标端的融合}（{\color{red}许：这部分介绍有点详细，跟其他部分的风格有点不统一，是否需要重新组织一下？}{\color{blue} 我觉得可以稍微精简一下，特别是低下那个图，如果说不清楚就不用说了，不画就行。要不说的内容多，没有介绍清楚，反倒造成读者的误解！}）
\parinterval 融合目标语言端的语言模型是一种最直接的使用单语数据的方法\upcite{2015OnGulcehre,DBLP:journals/csl/GulcehreFXCB17,DBLP:conf/wmt/StahlbergCS18}。实际上，神经机器翻译模型本身也具备了语言模型的作用，因为在解码器本质上也是一个语言模型，用于描述生成译文词串的规律。类似于语言模型，神经机器翻译模型可以自回归地生成翻译结果。对于一个双语句对$(\mathbi{x}, \mathbi{y})$，神经机器翻译模型根据源语言句子$\mathbi{x}$和前面生成的词来预测当前位置词的概率分布：
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\begin{figure}[htp]
\centering
\input{./Chapter16/Figures/lm-fusion}
\caption{\red{语言模型的浅融合与深融合，未修改}}
\caption{\red{语言模型的浅融合与深融合，未修改} {\color{blue} 图可以考虑删除了，要不也增加阅读的负担！}}
\label{fig:16-6-xc}
\end{figure}
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......@@ -238,9 +240,13 @@ g_{t} = \sigma (w^{T}s_{t}^{TM} + b)
\parinterval 词嵌入可以被看作是对每个独立单词进行的表示学习，在自然语言处理的众多任务中都扮演着重要角色\upcite{DBLP:conf/icml/CollobertW08,2011Natural,DBLP:journals/corr/abs-1901-09069}。到目前为止已经有大量的词嵌入学习方法被提出（见{\chapternine}），因此可以直接应用这些方法在海量的单语数据上训练得到词嵌入，用来初始化神经机器翻译模型的词嵌入矩阵\upcite{DBLP:conf/aclwat/NeishiSTIYT17,2018When}。
\parinterval 需要注意的是，在神经机器翻译中使用预训练词嵌入有两种方法。一种方法是直接将词嵌入作为固定的输入，也就是在训练机器翻译模型的过程中，并不调整词嵌入的参数。这样做的目的是完全将词嵌入模块独立出来，机器翻译可以被看作是在固定的词嵌入输入上进行的建模，降低了机器翻译系统学习的难度。另一种方法是仍然遵循``预训练+微调''的策略，将词嵌入作为翻译模型的初始值。之后在机器翻译训练过程中，词嵌入模型结果会被进一步更新。近些年，在词嵌入预训练的基础上进行微调的方法受到研究者越来越多的青睐（{\color{red} 许：看一下是否有对应的参考文献，暂时没找到，没有的话考虑重写一下这部分}）。因为在实践中发现，完全用单语数据学习的单词表示，与双语上的翻译任务并不完全匹配。目标语言的信息也会影响源语言的表示学习，在预训练词嵌入的基础上进一步进行微调是更加有效的方案。
\parinterval 需要注意的是，在神经机器翻译中使用预训练词嵌入有两种方法。一种方法是直接将词嵌入作为固定的输入，也就是在训练机器翻译模型的过程中，并不调整词嵌入的参数。这样做的目的是完全将词嵌入模块独立出来，机器翻译可以被看作是在固定的词嵌入输入上进行的建模，降低了机器翻译系统学习的难度。另一种方法是仍然遵循``预训练+微调''的策略，将词嵌入作为翻译模型的初始值。之后在机器翻译训练过程中，词嵌入模型结果会被进一步更新。近些年，在词嵌入预训练的基础上进行微调的方法受到研究者越来越多的青睐（{\color{red} 许：看一下是否有对应的参考文献，暂时没找到，没有的话考虑重写一下这部分}{\color{blue} 没有就不用加了！}）。因为在实践中发现，完全用单语数据学习的单词表示，与双语上的翻译任务并不完全匹配。目标语言的信息也会影响源语言的表示学习，在预训练词嵌入的基础上进一步进行微调是更加有效的方案。
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\parinterval 虽然预训练词嵌入在海量的单语数据上学习到了丰富的表示，但词嵌入很主要的一个缺点是无法解决一词多义问题。在不同的上下文中，同一个单词经常表示不同的意思，但词嵌入是完全相同的。模型需要在编码过程中通过上下文去理解每个词在当前语境下的含义，从而增加了建模的复杂度。因此，上下文词向量在近些年得到了广泛的关注\upcite{DBLP:conf/acl/PetersABP17,mccann2017learned,DBLP:conf/naacl/PetersNIGCLZ18}。上下文词嵌入是指一个词的表示不仅依赖于单词自身，还要根据所在的上下文语境来得到。由于在不同的上下文中，每个词对应的词嵌入是不同的，因此无法简单地通过词嵌入矩阵来表示，通常的做法是使用海量的单语数据预训练语言模型任务，使模型具备丰富的特征提取能力\upcite{DBLP:conf/naacl/PetersNIGCLZ18,radford2018improving,devlin2019bert}。比如，ELMo（Embeddings from Language Models）通过BiLSTM模型预训练语言模型任务，通过线性融合不同层的表示来得到每个词的上下文词嵌入，在很多自然语言处理任务上均得到了最佳的性能\upcite{DBLP:conf/naacl/PetersNIGCLZ18}。（{\color{red} 许：可以加个图，类似于ELMo里的}）
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\parinterval 虽然预训练词嵌入在海量的单语数据上学习到了丰富的表示，但词嵌入很主要的一个缺点是无法解决一词多义问题。在不同的上下文中，同一个单词经常表示不同的意思，但词嵌入是完全相同的。模型需要在编码过程中通过上下文去理解每个词在当前语境下的含义，从而增加了建模的复杂度。因此，上下文词向量在近些年得到了广泛的关注\upcite{DBLP:conf/acl/PetersABP17,mccann2017learned,DBLP:conf/naacl/PetersNIGCLZ18}。上下文词嵌入是指一个词的表示不仅依赖于单词自身，还要根据所在的上下文语境来得到。由于在不同的上下文中，每个词对应的词嵌入是不同的，因此无法简单地通过词嵌入矩阵来表示，通常的做法是使用海量的单语数据预训练语言模型任务，使模型具备丰富的特征提取能力\upcite{DBLP:conf/naacl/PetersNIGCLZ18,radford2018improving,devlin2019bert}。比如，{\small\bfnew{来自语言模型的嵌入}}(Embeddings from Language Models，ELMo)\index{ELMo}\index{来自语言模型的嵌入}通过BiLSTM模型预训练语言模型任务，通过线性融合不同层的表示来得到每个词的上下文词嵌入，在很多自然语言处理任务上均得到了最佳的性能\upcite{DBLP:conf/naacl/PetersNIGCLZ18}。（{\color{red} 许：可以加个图，类似于ELMo里的}）
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\subsubsection{3. 预训练模型}
......@@ -250,7 +256,7 @@ g_{t} = \sigma (w^{T}s_{t}^{TM} + b)
\parinterval BERT的核心思想是通过{\small\bfnew{掩码语言模型}}(Masked Language model，MLM)\index{掩码语言模型}\index{MLM}任务进行预训练。掩码语言模型的思想类似于完形填空，随机选择输入句子中的部分词掩码，模型来预测这些被掩码的词。掩码的具体做法是将被选中的词替换为一个特殊的词[Mask]，这样模型在训练过程中，无法得到掩码位置词的信息，需要联合上下文内容进行预测，因此提高了模型对上下文的特征提取能力。实验表明，相比在下游任务中仅利用上下文词嵌入，在大规模单语输数据上预训练的模型具有更强的表示能力。同时，对比单向预训练模型GPT，BERT这种双向编码的训练方式也展示出了更好的效果。
\parinterval BERT的提出引发了人们对预训练方法的关注，从多个维度对预训练方法进行了更广泛和更深入的探讨。{\color{red} 许：这部分内容较多，但是和NMT不是强相关，我再整理一下加到扩展阅读，比如训练方式、压缩、微调、下游任务使用等}）
\parinterval BERT的提出引发了人们对预训练方法的关注，从多个维度对预训练方法进行了更广泛和更深入的探讨。{\color{red} 许：这部分内容较多，但是和NMT不是强相关，我再整理一下加到扩展阅读，比如训练方式、压缩、微调、下游任务使用等} {\color{blue} 很好！！！}）
\parinterval 在神经机器翻译任务中，预训练模型可以用于初始化编码器的模型参数\upcite{DBLP:conf/emnlp/ClinchantJN19,DBLP:conf/emnlp/ImamuraS19,DBLP:conf/naacl/EdunovBA19}。之所以用在编码器而不是解码器端，主要的原因在于编码器的作用主要在于特征提取，训练难度相对较高，而解码器的作用主要在于生成，和编码器提取到的表示是强依赖的，相对比较脆弱\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1908-06259}。模型在预训练阶段的生成过程中并没有考虑到额外的表示信息，因此和神经机器翻译的编码器存在着明显的不一致问题，所以目前主流的做法是仅利用预训练模型对编码器的模型参数进行初始化。（{\color{red} 许：再找一下参考文献支撑}）
......@@ -280,7 +286,7 @@ g_{t} = \sigma (w^{T}s_{t}^{TM} + b)
\subsubsection{4. 多任务学习}
\parinterval 在训练一个神经网络的时候，往往会给定模型一个训练目标，希望模型通过不断训练在这个目标上表现地越来越好。我们希望模型在训练过程中可以自动提取到与训练目标相关的所有信息。然而，过分地关注单个训练目标，可能使模型忽略掉其他可能有帮助的信息，这些信息可能来自于一些其他相关的任务\upcite{DBLP:journals/corr/Ruder17a}。通过联合多个独立但相关的任务共同学习，任务之间相互``促进''，就是{\small\sffamily\bfnew{多任务学习}}\index{多任务学习}（Multitask Learning）\index{Multitask Learning}方法\upcite{DBLP:journals/corr/Ruder17a,DBLP:books/sp/98/Caruana98,liu2019multi}。多任务学习的常用做法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特征，并通过特定的模块来学习每个任务独立的特征。常用的策略是对底层的模型参数进行共享，顶层的模型参数用于独立学习各个不同的任务，如图所示。({\color{red} 许：加个图我感觉会合适一点，大致表达的意思是底层共享，上层接不同的任务})
\parinterval 在训练一个神经网络的时候，往往会给定模型一个训练目标，希望模型通过不断训练在这个目标上表现地越来越好。我们希望模型在训练过程中可以自动提取到与训练目标相关的所有信息。然而，过分地关注单个训练目标，可能使模型忽略掉其他可能有帮助的信息，这些信息可能来自于一些其他相关的任务\upcite{DBLP:journals/corr/Ruder17a}。通过联合多个独立但相关的任务共同学习，任务之间相互``促进''，就是{\small\sffamily\bfnew{多任务学习}}\index{多任务学习}（Multitask Learning）\index{Multitask Learning}方法\upcite{DBLP:journals/corr/Ruder17a,DBLP:books/sp/98/Caruana98,liu2019multi}。多任务学习的常用做法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特征，并通过特定的模块来学习每个任务独立的特征。常用的策略是对底层的模型参数进行共享，顶层的模型参数用于独立学习各个不同的任务，如图所示。({\color{red} 许：加个图我感觉会合适一点，大致表达的意思是底层共享，上层接不同的任务} {\color{blue} 张裕浩也写了多任务，可以考虑直接引用15章，图张裕浩那里也画了！})
\parinterval 在神经机器翻译中，应用多任务学习的主要策略是将翻译任务作为主任务，同时设置一些仅使用单语数据的子任务，通过这些子任务来捕捉单语数据中的语言知识\upcite{DBLP:conf/emnlp/DomhanH17,DBLP:conf/emnlp/ZhangZ16,DBLP:journals/corr/LuongLSVK15}。一种多任务学习的方法是利用源语言单语数据，通过单个编码器对源语言数据进行建模，然后分别使用两个解码器来学习源语言排序和翻译任务。源语言排序任务是指对句子的顺序进行调整，可以通过单语数据来构造训练数据，从而使编码器训练地更加充分\upcite{DBLP:conf/emnlp/ZhangZ16}，如图所示。({\color{red}许： 加个图，单编码器，双解码器})
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