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Chapter17/Figures/figure-multiencoder.tex 0 → 100644
\definecolor{color1}{rgb}{1,0.725,0.058}
\tikzstyle{coder} = [rectangle,thick,rounded corners,minimum width=2.8cm,minimum height=1.1cm,text centered,draw=black!70,fill=blue!10]
\tikzstyle{attention} = [rectangle,thick,rounded corners,minimum width=2.6cm,minimum height=0.9cm,text centered,draw=black!70,fill=green!25]
\begin{tikzpicture}[node distance = 0,scale = 1]
\tikzstyle{every node}=[scale=1]
\node(encoder_c)[coder]{\large{编码器}};
\node(encoder_s)[coder, right of = encoder_c, xshift=3.5cm, fill=red!25]{\large{编码器}};
\node(h_pre)[above of = encoder_c, yshift=1.3cm,scale=1.3]{${\mathbi{h}}_{pre}$};
\node(h)[above of = encoder_s, yshift=1.3cm,scale=1.3]{$\mathbi{h}$};
\node(cir)[circle,very thick, right of = h, draw=black!90,minimum width=0.5cm,xshift=1.1cm]{};
\draw[-,very thick,draw=black!90]([xshift=0.04cm]cir.west)--([xshift=-0.04cm]cir.east);
\draw[-,very thick,draw=black!90]([yshift=-0.04cm]cir.north)--([yshift=0.04cm]cir.south);
\node(last)[below of = encoder_c, yshift=-1.3cm]{\large{前一句}};
\node(current)[below of = encoder_s, yshift=-1.3cm]{\large{当前句}};
\node(attention_left)[attention, above of = encoder_c, xshift=2.4cm,yshift=3.1cm]{\large{注意力机制}};
\node(d)[above of = attention_left, yshift=1.1cm,scale=1.3]{$\mathbi{d}$};
\node(ground)[rectangle, thick, rounded corners, minimum width=5cm, minimum height=5.5cm, right of = encoder_s, xshift=4.4cm,yshift=2.2cm, draw=black!70, fill=gray!30]{};
\node(decoder)[above of = encoder_s, xshift=3.1cm]{\large{解码器}};
\node(attention_right)[attention, right of = attention_left, xshift=5.4cm,yshift=-0.4cm]{\large{注意力机制}};
\node(target)[right of = current, xshift=5.3cm]{\large{目标句}};
\node(point_below)[right of = encoder_s, xshift=5.3cm]{\Huge{...}};
\node(point_above)[above of = attention_right, yshift=1.8cm]{\Huge{...}};
\draw[->, very thick](last)to([yshift=-0.05cm]encoder_c.south);
\draw[->, very thick](current)to([yshift=-0.05cm]encoder_s.south);
\draw[->, very thick](target.north)to([yshift=-0.05cm]point_below.south);
\draw[->, very thick]([yshift=0.05cm]encoder_c.north)to([yshift=0.03cm]h_pre.south);
\draw[->, very thick]([yshift=0.05cm]encoder_s.north)to(h.south);
\draw[->, very thick]([yshift=0cm]h.north)to([yshift=0.95cm]h.north);
\draw[->, very thick,in=270,out=90]([yshift=-0.15cm]h_pre.north)to([xshift=1.25cm,yshift=0.9cm]h_pre.north);
\draw[->, very thick,in=270,out=80]([yshift=-0.15cm]h_pre.north)to([xshift=2.4cm,yshift=0.9cm]h_pre.north);
\draw[->, very thick]([yshift=0.03cm]attention_left.north)to([yshift=0.1cm]d.south);
\draw[->, very thick]([xshift=-0.03cm]h.east)to([xshift=-0.03cm]cir.west);
\draw[->, very thick](point_below.north)to([yshift=2.03cm]point_below.north);
\draw[->, very thick](attention_right.north)to([yshift=-0.03cm]point_above.south);
\draw[->, very thick](point_above.north)to([yshift=0.83cm]point_above.north);
\draw[->, very thick, in=270,out=0]([xshift=0.2cm]cir.east)to([xshift=3cm,yshift=0.88cm]cir.east);
\draw[->, very thick, in=270,out=0]([xshift=0.2cm]cir.east)to([xshift=2cm,yshift=0.88cm]cir.east);
\draw[->,very thick,]([xshift=0.1cm]d.east)to([xshift=1.92cm]d.east)to([yshift=0.03cm]cir.north);
\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file
Chapter17/Figures/figure-twodecoding.tex 0 → 100644
\tikzstyle{encoder} = [rectangle,thick,rounded corners,minimum width=2.3cm,minimum height=1.4cm,text centered,draw=black!70,fill=red!25]
\tikzstyle{decoder} = [rectangle,thick,rounded corners,minimum width=2.3cm,minimum height=1.4cm,text centered,draw=black!70,fill=blue!15]
\tikzstyle{attention} = [rectangle,thick,rounded corners,minimum width=2.6cm,minimum height=0.9cm,text centered,draw=black!70,fill=green!25]
\begin{tikzpicture}[node distance = 0,scale = 1]
\tikzstyle{every node}=[scale=1]
\node(encoder_left)[encoder]{\large{编码器}};
\node(encoder_right)[encoder, right of = encoder_left, xshift=3cm]{\large{编码器}};
\node(decoder_left)[decoder, above of = encoder_left, yshift=2.7cm]{\large{解码器}};
\node(decoder_right)[decoder, above of = encoder_right, yshift=2.7cm]{\large{解码器}};
\node(text_left)[below of = encoder_left, yshift=-2.2cm]{\large{前文}};
\node(text_right)[below of = encoder_right, yshift=-2.2cm]{\large{源语}};
\node(text_top)[above of = decoder_right, yshift=2cm]{\large{句子级翻译结果}};
\node(title_1)[above of = text_top, xshift=-1.5cm, yshift=1.3cm]{\large\bfnew{一阶段解码}};
\node(ground2)[rectangle,very thick,rounded corners,minimum width=5cm,minimum height=5.3cm,right of = encoder_right,xshift=6cm,yshift=1.4cm,draw=black,dashed]{};
\node(ground1)[rectangle,thick,rounded corners,minimum width=3.3cm,minimum height=4.5cm,right of = encoder_right,xshift=5.5cm,yshift=1.4cm,draw=black,fill=yellow!15]{};
\node(attention_below)[attention, right of = encoder_right, xshift=5.5cm]{\large{注意力机制}};
\node(attention_above)[attention, above of = attention_below, yshift=1.4cm]{\large{注意力机制}};
\node(ffn)[attention, above of = attention_above, yshift=1.4cm, fill=blue!8]{\large{前馈神经网络}};
\node(n)[right of = attention_above, xshift=2.4cm,scale=1.5]{$\times N$};
\node(text_2)[above of = ffn, yshift=1.9cm]{\large{上下文修正结果}};
\node(title_2)[above of = text_2, xshift=0.5cm,yshift=1.3cm]{\large\bfnew{二阶段解码}};
\node(text_rright)[right of = text_right, xshift=5.5cm]{\large{句子级翻译结果}};
\draw[->,very thick]([yshift=0.2cm]text_left.north)to(encoder_left.south);
\draw[->,very thick]([yshift=0.2cm]text_right.north)to(encoder_right.south);
\draw[->,very thick](encoder_left.north)to(decoder_left.south);
\draw[->,very thick](encoder_right.north)to(decoder_right.south);
\draw[->,very thick](decoder_right.north)to([yshift=-0.1cm]text_top.south);
\draw[->,very thick]([yshift=0.2cm]text_rright.north)to(attention_below.south);
\draw[->,very thick](attention_below.north)to(attention_above.south);
\draw[->,very thick](attention_above.north)to([yshift=-0.05cm]ffn.south);
\draw[->,very thick](ffn.north)to([yshift=-0.05cm]text_2.south);
\draw[-,very thick,dashed]([xshift=2cm,yshift=-0.2cm]text_right.east)to([xshift=2cm,yshift=9cm]text_right.east);
\draw[-,very thick]([yshift=0.5cm]encoder_left.north)--([yshift=0.5cm,xshift=4.5cm]encoder_left.north)--([xshift=-2.68cm]attention_below.west)--(attention_below.west);
\draw[-,very thick](decoder_left.north)--([yshift=0.5cm]decoder_left.north)--([yshift=0.5cm,xshift=4.7cm]decoder_left.north)--([xshift=-2.48cm]attention_above.west)--(attention_above.west);
\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file
Chapter17/chapter17.tex
...@@ -15,16 +15,471 @@ ...@@ -15,16 +15,471 @@
\renewcommand\figurename{图}%将figure改为图 \renewcommand\figurename{图}%将figure改为图
\renewcommand\tablename{表}%将figure改为图 \renewcommand\tablename{表}%将figure改为图
\chapterimage{fig-NEU-8.jpg} % Chapter heading image \chapterimage{fig-NEU-5.jpg} % Chapter heading image
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% CHAPTER 17 % CHAPTER 17
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\chapter{神经机器翻译实践} \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 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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% NEW SECTION
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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 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XXX中，需要把英语句子“XXX”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XXX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多模态机器翻译（参考文献）。
\parinterval 图图
\parinterval 所谓模态（Modality）是指某一种信息来源。例如，视觉、听觉、嗅觉、味觉都可以被看作是不同的模态。因此视频、语音、文字等都可以被看作是承载这些模态的媒介。在机器翻译中使用多模态这个概念，更多是为了区分某些不同于文字的信息。除了图像等视觉模态信息，机器翻译也可以利用语音模态信息。比如，直接对语音进行翻译，甚至直接用语音表达出翻译结果。
\parinterval 此外，除了不同信息源所引入的上下文，机器翻译也可以利用文字本身的上下文。比如，翻译一篇文章中的某个句子时，可以根据整个篇章的内容进行翻译。显然这种篇章的语境是有助于机器翻译的。在本章后面的内容中，会就机器翻译中使用不同上下文（多模态和篇章信息）的方法展开讨论。
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% NEW SECTION % NEW SECTION
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\section{语音翻译}
\parinterval 语音，是人类日常生活与交流中最常用的一种信息载体。从日常聊天、国际旅游，到国际会议、跨国合作，对于语言进行翻译的需求不断增加。甚至在有些场景下，用语音进行交互要比用文本进行交互频繁的多。因此，{\small\bfnew{语音翻译}}\index{语音翻译}（Speech Translation）\index{Speech Translation}也成为了语音处理和机器翻译相结合的重要产物。根据目标语语言的载体类型，可以将语音翻译分为{\small\bfnew{语音到文本翻译}}\index{语音到文本翻译}（Speech-to-Text Translation）\index{Speech-to-Text Translation}和{\small\bfnew{语音到语音翻译}}（Speech-to-Speech Translation）\index{Speech-to-Speech Translation}；基于翻译的实时性，还可以分为{\small\bfnew{实时语音翻译}}\index{实时语音翻译}（即同声传译，Simultaneous Translation）\index{Simultaneous Translation}和{\small\bfnew{离线语音翻译}}（Offline speech translation）\index{Offline speech translation}。本节主要关注离线语音到文本翻译方法（简称为语音翻译），分别从音频处理、级联语音翻译和端到端语音翻译进行介绍。
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\subsection{音频处理}
\parinterval 不同于文本，音频本质上是经过若干信号处理之后的{\small\bfnew{波形}}（Waveform）\index{Waveform}。具体来说，声音是一种空气的震动，因此可以被转换为模拟信号。模拟信号是一段连续的信号，经过采样变为离散数字信号。采样是每隔固定的时间记录一下声音的振幅，采样率表示每秒的采样点数，单位是赫兹（Hz）。采样率越高，结果的损失则越小。通常来说，采样的标准是能够通过离散化的数字信号重现原始语音。我们日常生活中使用的手机和电脑设备的采样率一般为16kHz，表示每秒16000个采样点；而音频CD的采样率可以达到44.1kHz。经过进一步的量化，将采样点的值转换为整型数值保存，从而减少占用的存储空间，通常采用的是16位量化。将采样率和量化位数相乘，就可以得到{\small\bfnew{比特率}}\index{比特率}（Bits Per Second，BPS）\index{Bits Per Second}，表示音频每秒占用的位数。16kHz采样率和16位量化的音频，比特率为256kb/s。整体流程如图\ref{fig:17-2-1}所示\upcite{洪青阳2020语音识别原理与应用,陈果果2020语音识别实战}。
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\begin{figure}[htp]
\centering
\caption{音频处理过程}
\label{fig:17-2-1}
\end{figure}
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\parinterval 经过上面的描述，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~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 经过了上述的预处理操作，可以得到音频对应的帧序列，之后通过不同的操作来提取不同类型的声学特征。常用的声学特征包括{\small\bfnew{Mel频率倒谱系数}}\index{Mel频率倒谱系数}（Mel-Frequency Cepstral Coefficient, MFCC）\index{Mel-Frequency Cepstral Coefficient}、{\small\bfnew{感知线性预测系数}}\index{感知线性预测系数}（Perceptual Lienar Predictive, PLP）\index{Perceptual Lienar Predictive}、{\small\bfnew{滤波器组}}\index{滤波器组}（Filter-bank, Fbank）\index{Filter-bank}等。MFCC、PLP和Fbank特征都需要对预处理后的音频做{\small\bfnew{短时傅里叶变换}}\index{短时傅里叶变换}（Short-time Fourier Tranform, STFT）\index{Short-time Fourier Tranform}，得到具有规律的线性分辨率。之后再经过特定的操作，得到各种声学特征。不同声学特征的特点是不同的，MFCC去相关性较好，PLP抗噪性强，FBank可以保留更多的语音原始特征。在语音翻译中，比较常用的声学特征为FBank或MFCC\upcite{洪青阳2020语音识别原理与应用}。
\parinterval 某种程度上讲，提取到的声学特征可以理解计算机视觉中的像素特征，或者自然语言处理中的词嵌入表示。不同之处在于，声学特征更加复杂多变，可能存在着较多的噪声和冗余信息。此外，相比对应的文字序列，音频提取到的特征序列长度要大十倍以上。比如，人类正常交流中每秒钟一般可以说2-3个字，而每秒钟的语音可以提取得到100帧的特征序列。巨大的长度比差异也为语音翻译中对声学特征建模带来了困难。
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% NEW SUB-SECTION
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\subsection{级联式语音翻译}
\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:17-2-2}所示。
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\begin{figure}[htp]
\centering
\caption{级联语音翻译}
\label{fig:17-2-2}
\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 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:17-2-3}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。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]
\centering
\caption{基于Transformer的语音识别模型}
\label{fig:17-2-3}
\end{figure}
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\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:17-2-4}所示。
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\begin{figure}[htp]
\centering
\caption{词格示例}
\label{fig:17-2-4}
\end{figure}
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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。
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% NEW SUB-SECTION
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\subsection{端到端语音翻译}
\parinterval 尽管级联语音翻译模型可以利用语音识别和文本翻译模型来得到语音对应的翻译结果，但不可避免地存在一些缺陷：
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\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item 错误传播问题。级联模型导致的一个很严重的问题在于，语音识别模型得到的文本如果存在错误，这些错误很可能在翻译过程中被放大，从而使最后翻译结果出现比较大的误差。比如识别时在句尾少生成了个“吗”，会导致翻译模型将疑问句翻译为陈述句。
\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。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
%----------------------------------------------------------------------------------------------------
\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文本。相比级联模型，端到端模型有如下优点：
%----------------------------------------------------------------------------------------------------
\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item 端到端模型不需要多阶段的生成，因此避免了错误传播问题。
\vspace{0.5em}
\item 同样地，端到端模型相比级联模型可以减少将近一半的模型参数，翻译效率可以得到明显提升。
\vspace{0.5em}
\item 由于端到端模型语音信号可以直接作用于翻译过程，因此可以使得副语言信息得以体现。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
%----------------------------------------------------------------------------------------------------
\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:17-2-5}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）。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。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。
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\begin{figure}[htp]
\centering
\caption{基于Transformer的端到端语音翻译模型}
\label{fig:17-2-5}
\end{figure}
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\parinterval 虽然端到端语音翻译模型解决了级联模型存在的问题，但同时也面临着两个严峻的问题：
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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。
\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。
\vspace{0.5em}
\end{itemize}
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\parinterval 针对这两个问题，研究人员们也提出了很多方法进行缓解，包括多任务学习、迁移学习等，主要思想都是利用语音识别或文本翻译数据来指导语音模型学习。并且，文本翻译中的很多方法和思想都对语音翻译技术的发展提供了思路。如何将其他领域现有的工作在语音翻译任务上验证，并针对语音这一信息载体进行特定的建模适应，是语音翻译任务当前的研究重点\upcite{DBLP:conf/mtsummit/GangiNCDT19}。
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\begin{itemize}
\vspace{0.5em}
\item 多任务学习。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:17-2-6}所示。
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\begin{figure}[htp]
\centering
\caption{CTC预测单词序列示例}
\label{fig:17-2-6}
\end{figure}
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\parinterval CTC具备的以下特性使其可以很好的完成输入输出之间的对齐。
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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r，那么t之后的位置不会再预测前面的字符w和o。
\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。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。
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\begin{figure}[htp]
\centering
\caption{基于CTC的语音翻译模型}
\label{fig:17-2-7}
\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XXX展示的三种方式\upcite{DBLP:conf/naacl/AnastasopoulosC18,DBLP:conf/asru/BaharBN19}。图\ref{fig:17-2-8}（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:17-2-8}（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:17-2-8}（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
\caption{双解码器语音翻译的三种方式}
\label{fig:17-2-8}
\end{figure}
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\vspace{0.5em}
\item 迁移学习。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。
\vspace{0.5em}
\item 数据增强。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。
\end{itemize}
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\parinterval 此外，研究人员们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}。
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\section{篇章级翻译}
\parinterval 目前大多数机器翻译系统都是句子级的。这种系统的输入和输出都是以句子为单位，并基于句子之间相互独立的假设。然而当需要句子间的上下文信息时，句子级系统可能会出现错误。篇章级翻译的目的就是对句子间的上下文信息进行建模，改善机器翻译在整个篇章上的质量。篇章级翻译的概念在很早就已经被提出\upcite{DBLP:journals/ac/Bar-Hillel60}。随着近几年神经机器翻译取得了巨大进展，如何使用篇章级上下文信息成为进一步改善机器翻译质量的重要方向\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1912-08494,DBLP:journals/corr/abs-1901-09115}。本节我们将主要从篇章级机器翻译的评价、建模方法等角度展开介绍。
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\subsection{什么是篇章级翻译}
\parinterval “篇章”在这里指一系列连续的段落或者句子所构成的整体，其中各个句子间从形式和内容上都具有一定的连贯性和一致性\upcite{jurafsky2000speech}。这些联系主要体现在衔接（Cohesion）以及连贯（Coherence）两个方面。其中衔接体现在显性的语言成分和结构上，包括篇章中句子间语法和词汇上的联系，而连贯体现在各个句子之间逻辑和语义上的联系。因此，篇章级翻译的目的就是要考虑到这些上下文之间的联系，从而生成相比句子级翻译更连贯和准确的翻译结果（如表\ref{tab:17-3-1}）。但是由于不同语言的特性多种多样，上下文信息在篇章级翻译中的作用也不尽相同。比如在德语中名词是分词性的，因此在代词翻译的过程中需要根据其先行词的词性进行区分，而这种现象在其它不区分词性的语言中是不存在的。这导致篇章级翻译在不同的语种中可能对应多种不同的上下文现象。
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\begin{table}[htp]
\centering
\caption{篇章级翻译中时态一致性的问题}
\label{tab:17-3-1}
\end{table}
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\parinterval 正是由于这种上下文现象的多样性，使得篇章级翻译模型的性能评价相对困难。目前篇章级机器翻译主要针对一些常见上下文的现象，比如代词翻译、省略、连接和词汇衔接等，而{\chapterfour}介绍的BLEU等通用自动评价指标通常对这些上下文现象不敏感，篇章级翻译需要采用一些专用方法来对这些具体的现象进行评价。之前已经有一些研究工作针对具体的上下文现象提出了相应的评价标准并且在篇章级翻译中得到应用\upcite{DBLP:conf/naacl/BawdenSBH18,DBLP:conf/acl/VoitaST19}（参考文献），但是目前并没有达成广泛共识，这也在一定程度上阻碍了篇章级机器翻译的进一步发展。我们将在ref{sec:17-3-2}节中对这些评价标准进行介绍。
\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。
\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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\subsection{篇章级翻译的评价}\label{sec:17-3-2}
\parinterval BLEU等自动评价指标能够在一定程度上反映译文的整体质量，但是并不能有效地评估篇章级翻译模型的性能。这是由于传统测试数据中出现篇章级上下文现象的比例相对较少，并且$n$-gram的匹配很难检测到一些具体的语言现象，这使得研究人员很难通过BLEU的涨幅来判断篇章级翻译模型的效果。
\parinterval 为此，研究人员总结了篇章级机器翻译任务中存在的上下文现象，并基于此设计了相应的自动评价指标。比如针对代词翻译现象，首先使用词对齐寻找源语言中代词在译文和参考译文中的对应位置，然后通过计数计算最终的准确率和召回率等指标\upcite{DBLP:conf/iwslt/HardmeierF10,DBLP:conf/discomt/WerlenP17}（参考文献）。针对词汇衔接现象，使用词汇链等来获取相应分数，然后通过加权平均的方式对BLEU和METEOR等指标进行扩展\upcite{DBLP:conf/emnlp/WongK12,DBLP:conf/discomt/GongZZ15}。针对篇章连接现象，使用候选词典和词对齐对源语中连接词的正确翻译结果进行计数，计算其准确率\upcite{DBLP:conf/cicling/HajlaouiP13}。
\parinterval 除了自动评价指标，也有一些研究人员针对特有的上下文现象手工构造了相应的测试套件。例如，可以采用对比测试的方式。测试集中每一个测试样例都包含一个正确翻译的结果，以及多个错误结果，一个理想的模型应该对正确的翻译评价最高，排名在所有错误答案之上。于是可以通过模型是否能挑选出正确答案来评估其性能。通过挑选合适的测试样例，然后根据具体的上下文现象构造相应的错误答案，就有能力对模型在这一上下文现象上的表现进行评估，比如词义消歧\upcite{DBLP:conf/wmt/RiosMS18}、代词翻译\upcite{DBLP:conf/naacl/BawdenSBH18,DBLP:conf/wmt/MullerRVS18}和一些衔接问题\upcite{DBLP:conf/acl/VoitaST19}等。这种方法可以很好地衡量模型在某一特定现象上的处理能力，但是其缺点在于使用范围受限于测试集的语种，扩展性差。
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\subsection{篇章级翻译的建模}
\parinterval 篇章级神经机器翻译不再针对具体的上下文现象构造特征，而是对篇章上下文直接进行建模。在理想情况下，这种方法将以整个篇章为单位作为模型的输入和输出。然而由于现实中篇章对应的词序列长度过长，因此直接对整个篇章对应序列建模难度很大，使得主流的序列到序列模型难以训练或者达到很好的效果。一种思路是采用能够处理超长序列的模型对篇章信息建模，比如，使用第十五章中提到的处理长序列的Transformer模型就是一个很有潜力的方向\upcite{DBLP:conf/iclr/KitaevKL20}。不过，这类模型并不针对篇章级翻译的具体翻译问题，因此并不是篇章级翻译中的主流方法。
\parinterval 现在常见的端到端做法还是从句子级翻译出发，通过额外的模块来对篇章中的上下文句子进行抽象表示，然后提取相应的上下文信息并融入到当前句子的翻译过程中。形式上，篇章级翻译的建模方式如下：
\begin{eqnarray}
\funp{P}(\seq{Y}|\seq{X})&=&\prod_{i=1}^{T}{\funp{P}(Y_i|X_i,D_i)}
\label{eq:17-3-1}\\
D_i&\subseteq&\{X_{-i},Y_{-i}\} \label{eq:17-3-2}
\end{eqnarray}
其中$\seq{X}$和$\seq{Y}$分别为源语言篇章和目标语言篇章，$X_i$和$Y_i$分别为源语言篇章和目标语言篇章中的某个句子，$T$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$T$}。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。受限于不同场景的需要和模型效率的考虑，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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\subsubsection{1. 改进输入形式}
\parinterval 一种简单的方法是直接复用传统的序列到序列模型，将上下文句子与当前句子拼接作为模型输入。如实例\ref{eg:17-3-1}所示，这种做法不需要改动模型结构，操作简单，适用于包括基于循环神经网络\upcite{DBLP:conf/discomt/TiedemannS17}和Transformer\upcite{agrawal2018contextual,DBLP:conf/discomt/ScherrerTL19}（参考文献）在内的神经机器翻译系统。但是由于过长的序列会导致模型难以训练，通常只会采用局部的上下文句子进行拼接，比如源语言端前一句或者周围几句\upcite{DBLP:conf/discomt/TiedemannS17}。同时，引入目标语端的上下文\upcite{DBLP:conf/naacl/BawdenSBH18,agrawal2018contextual,DBLP:conf/discomt/ScherrerTL19}，比如在解码时拼接目标语言端上下文和当前句同样会带来一定的性能提升。但是过大的窗口在推断时会导致错误累计的问题\upcite{agrawal2018contextual}，因此通常只考虑目标语端的前一句。
\begin{example}
传统模型训练输入：
\hspace{10em}源语言：你看到了吗？
\hspace{10em}目标语言：Do you see them?
\vspace{0.5em}
\qquad\ 改进后模型训练输入：
\hspace{10em}源语言：{\red{他们在哪？ <sep> }}你看到了吗？
\hspace{10em}目标语言：Do you see them?
\label{eg:17-3-1}
\end{example}
\parinterval 其他改进输入的做法相比于拼接的方法要复杂一些，首先需要对篇章进行处理，得到词汇链（Lexical Chain）\footnote{词汇链指篇章中语义相关的词所构成的序列}\upcite{DBLP:conf/wmt/GonzalesMS17}或者篇章嵌入\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1910-07481}等信息，然后融入到当前句子的序列表示中，送入模型进行翻译。这种方式中上下文信息来自于预先提取的篇章表示，但是这种表示是否适合机器翻译还有待论证。
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\subsubsection{2. 多编码器结构}
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\begin{figure}[htp]
\centering
\input{./Chapter17/Figures/figure-multiencoder}
\caption{多编码器结构\upcite{DBLP:conf/acl/LiLWJXZLL20}}
\label{fig:17-3-1}
\end{figure}
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\parinterval 区别于在输入上进行改进，另一种思路是对传统的编码器解码器框架进行更改，采用额外的编码器来编码上下文句子，称之为多编码器结构\upcite{DBLP:conf/acl/LiLWJXZLL20,DBLP:conf/acl/LiLWJXZLL20,DBLP:conf/discomt/SugiyamaY19}。这种结构最早被应用在基于循环神经网络的篇章级翻译模型\upcite{DBLP:journals/corr/JeanLFC17,DBLP:conf/coling/KuangX18,DBLP:conf/naacl/BawdenSBH18,DBLP:conf/pacling/YamagishiK19}，并且在Transformer模型上同样适用\upcite{DBLP:journals/corr/abs-1805-10163,DBLP:conf/emnlp/ZhangLSZXZL18}。图\ref{fig:17-3-1}展示了一个基于Transformer模型的多编码器结构，基于源语言当前待翻译句子的编码表示$\mathbi{h}$和上下文句子的编码表示$\mathbi{h}_{pre}$，模型首先通过注意力机制提取句子间上下文信息$\mathbi{d}$：
\begin{eqnarray}
\mathbi{d}&=&Attention(\mathbi{h},\mathbi{h}_{pre},\mathbi{h}_{pre})
\label{eq:17-3-3}
\end{eqnarray}
在注意力机制中，$\mathbi{h}$作为查询，$\mathbi{h}_{pre}$作为键和值。然后通过门控机制将每个位置的编码表示和上下文信息进行融合，具体方式如下：
\begin{eqnarray}
\widetilde{\mathbi{h}_{t}}&=&\lambda_{t}\mathbi{h}_{t}+(1-\lambda_{t})\mathbi{d}_{t}
\label{eq:17-3-4}\\
\lambda_{t}&=&\sigma(\mathbi{W}_{\lambda}[\mathbi{h}_{t};\mathbi{C}_{t}]+\mathbi{b}_{\lambda})
\label{eq:17-3-5}
\end{eqnarray}
其中$\widetilde{\mathbi{h}}$为融合了上下文信息的最终序列表示结果，$\widetilde{\mathbi{h}_{t}}$为其中第$t$个位置的表示。$\mathbi{W}_{\lambda}$和$\mathbi{b}_{\lambda}$为模型可学习的参数，$\sigma$为Sigmoid函数，用来获取门控权值$lambda$。
\parinterval 除了在解码端外部进行融合，也可以将送入解码器，在解码器中采用类似的机制进行融合\upcite{DBLP:conf/emnlp/ZhangLSZXZL18}。此外，多编码器结构由于引入了额外的模块，模型整体参数量大大增加，会导致其难以训练。为此一些研究人员提出使用句子级模型预训练的方式来初始化模型参数\upcite{DBLP:journals/corr/JeanLFC17,DBLP:conf/emnlp/ZhangLSZXZL18}，或者使用编码器参数共享的手段来减小模型复杂度\upcite{DBLP:conf/pacling/YamagishiK19,DBLP:conf/coling/KuangX18,DBLP:journals/corr/abs-1805-10163}。
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\subsubsection{3. 层次结构}
\parinterval 图图
\parinterval 多编码器结构通过额外的编码器对前一句进行编码，但是无法处理多个上下文句子的情况。为了能够捕捉到更充分的上下文信息，可以采用层次结构来对更多的上下文句子进行建模。层次结构可以有效的处理更长的上下文序列，以及序列内不同单元之间的相互作用。类似的思想也成功的应用在基于树的翻译模型中（{\chaptereight}和{\chapterfifteen}）。
\parinterval 图XXXXXXX描述了一个基于层次注意力的模型结构\upcite{DBLP:conf/emnlp/WerlenRPH18}。首先通过翻译模型的编码器获取前文$k$个句子的序列编码表示$(\mathbi{h}^k,\dots,\mathbi{h}^2,\mathbi{h}^1)$，然后使用层次注意力机制从这些编码表示中提取上下文信息$\mathbi{d}$，进而可以和当前句子的编码表示$\mathbi{h}$融合，得到一个上下文相关的当前句子表示$\widetilde{\mathbi{h}}$。其中层次注意力的计算过程也是分为两步，第一步针对前文每个句子的词序列表示$\mathbi{h}^{j}$，使用词级注意力提取从各个句子的上下文信息$\mathbi{s}^{j}$，然后在这$k$个句子级上下文表示$\mathbi{s}=(\mathbi{s}^k,\dots,\mathbi{s}^2,\mathbi{s}^1)$基础上，使用句子级注意力提取最终的上下文信息。具体计算过程如下所示：
\begin{eqnarray}
\mathbi{q}_{w}&=&f_w(\mathbi{h}_t)
\label{eq:17-3-6}\\
\mathbi{s}^j&=&WordAttention(\mathbi{q}_{w},\mathbi{h}^{j},\mathbi{h}^{j})
\label{eq:17-3-7}\\
\mathbi{q}_{s}&=&f_s(\mathbi{h}_t)
\label{eq:17-3-8}\\
\mathbi{d}_t&=&FFN(SentAttention(\mathbi{q}_{s},\mathbi{s},\mathbi{s}))
\label{eq:17-3-9}
\end{eqnarray}
其中$\mathbi{h}_{t}$表示当前句子第$t$个位置的编码表示。为了增强模型表示能力，首先通过$f_w$和$f_s$两个线性变换分别获取词级注意力和句子级注意力的查询$\mathbi{q}_{w}$和$\mathbi{q}_{s}$，另外在句子级注意力之后添加了一个前馈全连接网络子层FFN。在获得上下文表示$\mathbi{d}_{t}$后，模型同样采用门控机制（如公式\eqref{eq:17-3-4}和公式\eqref{eq:17-3-5}）与$\mathbi{h}_{t}$进行融合来得到最终的编码表示$\widetilde{\mathbi{h}_{t}}$。
\parinterval 通过层次注意力，模型可以在词级和句子级两个维度从多个句子中提取更充分的上下文信息，并且可以同时用在解码端来获取目标端的上下文信息。基于层次注意力，为了进一步编码整个篇章的上下文信息，研究人员提出选择性注意力\upcite{DBLP:conf/naacl/MarufMH19}来对篇章中整体上下文进行有选择的信息提取。此外，也有研究人员使用循环神经网络\upcite{DBLP:conf/emnlp/WangTWL17}、记忆网络\upcite{DBLP:conf/acl/HaffariM18}、胶囊网络\upcite{DBLP:conf/emnlp/YangZMGFZ19}和片段级相对注意力\upcite{DBLP:conf/ijcai/ZhengYHCB20}等结构来对多个上下文句子进行上下文信息提取。
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\subsubsection{4. 基于缓存的方法}
\parinterval 除了以上提到的建模方法，还有一类基于缓存的方法\upcite{DBLP:journals/tacl/TuLSZ18,DBLP:conf/coling/KuangXLZ18}（参考文献）。这种方法最大的特点在于将篇章翻译看作一个连续的过程，然后在这个过程中通过一个额外的缓存来记录一些相关信息，最后在每个句子解码的过程中使用这个缓存来提供上下文信息。图XXXXX描述了一种基于缓存的篇章级翻译模型结构\upcite{DBLP:journals/tacl/TuLSZ18}。在这里，翻译模型基于循环神经网络（参考{chapterten}），但是这种方法同样适用于包括Transformer在内的其他神经机器翻译模型。模型中篇章上下文的建模依赖于缓存的读和写操作。其中读操作以及与目标端表示的融合方法和层次结构中提到的方法类似，同样使用注意力机制以及门控机制来获取最终的目标端表示$\widetilde{\mathbi{s}_{t}}$。而缓存的写操作则是在每个句子翻译结束后，将句子中每个词${y}_{t}$对应的表示对$<\mathbi{c}_{t},\mathbi{s}_{t}>$作为注意力的键和值按照一定规则写入缓存。其中，$\mathbi{c}_{t}$和$\mathbi{s}_{t}$分别表示第$t$个目标词所对应的源语表示和解码器隐层状态。如果${y}_{t}$不存在于缓存，则写入其中的空槽或者替换最久未使用的键值对；如果${y}_{t}$存在于缓存，则将对应的键值对进行更新:
\begin{eqnarray}
\mathbi{k}_{i}&=&(\mathbi{k}_{i}+\mathbi{c}_{t})/2
\label{eq:17-3-10}\\
\mathbi{v}_{i}&=&(\mathbi{v}_{i}+\mathbi{s}_{t})/2
\label{eq:17-3-11}
\end{eqnarray}
其中$i$表示$y_t$在缓存中的位置，$\mathbi{k}_{i}$和$\mathbi{v}_{i}$分别为缓存中对应的键和值。这种方法缓存的都是目标端历史的词级表示，因此能够解决一些词汇衔接的问题，比如词汇一致性和一些搭配问题，产生更连贯的翻译结果。
\parinterval 图图
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\subsection{在推断阶段结合篇章上下文}
\parinterval 上一节介绍的建模方法主要针对上下文句子进行建模，通过端到端的方式进行上下文信息的提取和融合。由于篇章级双语数据相对稀缺，这种复杂的篇章级翻译模型很难通过直接训练取得很好的效果，通常会采用两阶段训练或参数共享的方式。此外，相比之下句子级双语数据更为丰富，在此基础上训练得到的模型性能通常能够达到预期。因此，一个自然的想法是基于高质量句子级翻译模型，在推断过程中结合上下文信息方法来构造篇章级翻译模型。比如通过结合目标语言端的篇章级语言模型\upcite{DBLP:conf/discomt/GarciaCE19,DBLP:journals/tacl/YuSSLKBD20,DBLP:journals/corr/abs-2010-12827}来引入上下文信息，或者通过两阶段解码\upcite{DBLP:conf/aaai/XiongH0W19,DBLP:conf/acl/VoitaST19}和后编辑\upcite{DBLP:conf/emnlp/VoitaST19}的方法在句子级翻译结果上进行修正。
\parinterval 相比于篇章级双语数据，篇章级单语数据更容易获取。在双语数据稀缺的情况下，通过引入目标语言端的篇章级语言模型可以更充分的利用这些单语数据。最简单的做法是在翻译模型的分数基础上加上语言模型的分数\upcite{DBLP:conf/discomt/GarciaCE19,DBLP:journals/corr/abs-2010-12827}，既可以在推断的搜索过程中作为模型最终打分，也可以在重排序阶段作为一种特征。其次，也可以使用噪声信道模型对篇章级翻译进行建模\upcite{DBLP:journals/tacl/YuSSLKBD20}。使用贝叶斯规则，将篇章翻译问题转换成如下形式（参考5.3节内容）：
\begin{eqnarray}
\widehat{Y}&=&\argmax_{Y}\funp{P}(Y|X)\\
&=&\argmax_{Y}\underbrace{\funp{P}(X|Y)}_{\textrm{信道模型}}\times\underbrace{\funp{P}(Y)}_{\textrm{语言模型}}
\label{eq:17-3-12}
\end{eqnarray}
其中和分别表示源语言端和目标语言端篇章。进一步，可以得到近似形式：
\begin{eqnarray}
\widehat{Y}&\approx&\argmax_{Y}\prod_{i=1}^{T}{\funp{P}(X_i|Y_i)\times\funp{P}(Y_i|Y_{<i})}
\label{eq:17-3-13}
\end{eqnarray}
通过这种生成式模型，只需要使用句子级的翻译模型以及目标端的篇章级翻译模型，避免了对篇章级双语数据的依赖。
\parinterval 另一种改进方法不影响句子级翻译模型的推断过程，而是在完成翻译后使用额外的模块进行第二阶段的解码，通过两阶段的解码来引入上下文信息\upcite{DBLP:conf/aaai/XiongH0W19,DBLP:conf/acl/VoitaST19}（参考文献）。如图\ref{fig:17-3-4}所示，这种两阶段解码的做法相当于将篇章级翻译的问题进行了分离和简化，适用于篇章级双语数据稀缺的场景。基于类似的思想，有研究人员使用后编辑的做法对翻译结果进行修正\upcite{DBLP:conf/emnlp/VoitaST19}。区别于两阶段解码的方法，后编辑的方法无需参考源语信息，只是基于目标语言端的连续翻译结果来提供上下文信息。通过这种方式，可以完全避免对篇章级双语数据的需求。
%----------------------------------------------
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{./Chapter17/Figures/figure-twodecoding}
\caption{两阶段解码}
\label{fig:17-3-4}
\end{figure}
%----------------------------------------------
%----------------------------------------------------------------------------------------
% NEW SECTION
%----------------------------------------------------------------------------------------
\section{小结及扩展阅读}
\parinterval 本章仅对音频处理和语音识别进行了简单的介绍，具体内容可以参考一些经典书籍，比如关于信号处理的基础知识\upcite{[Discrete-Time Signal Processing (3rd version)][ Discrete-Time Speech Signal Processing: Principles and Practice]}，以及语音识别的传统方法\upcite{[Fundamentals of Speech Recognition][ Spoken Language Processing: A Guide to Theory, Algorithm, and System Development]}和基于深度学习的最新方法\upcite{[ Automatic Speech Recognition: A Deep Learning Approach, 俞栋、邓力]}。此外，语音翻译的一个重要应用是机器同声传译。
\section{}
bibliography.bib
...@@ -12510,6 +12510,386 @@ author = {Zhuang Liu and ...@@ -12510,6 +12510,386 @@ author = {Zhuang Liu and
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author={Xuedong Huang and Alex Acero and Hsiao-Wuen Hon},
year={2001},
publisher={Prentice Hall PTR}
}
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title={Discrete-Time Speech Signal Processing: Principles and Practice},
author={Thomas F. Quatieri},
year={2001},
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