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% 机器翻译：统计建模与深度学习方法
% Machine Translation: Statistical Modeling and Deep Learning Methods
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% Copyright 2020
% 肖桐(xiaotong@mail.neu.edu.cn) 朱靖波 (zhujingbo@mail.neu.edu.cn)
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%    CONFIGURATIONS
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{\Huge \bfnew{随\ \ \ 笔}}
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%\section{随笔}

\parinterval 自从计算机诞生开始，机器翻译即利用计算机软件技术实现不同语言自动翻译，就是人们首先想到的计算机主要应用之一。很多人说现在处于人工智能时代，是得语言者的天下，因此机器翻译也是认知智能的终极梦想之一。本书已经讨论了机器翻译的模型、方法和实现技术，这里将分享一些我们对机器翻译应用和未来的一些思考，有些想法不一定正确，也许需要十年之后才能验证。

\parinterval 简单来说，机器翻译技术应用至少可以满足三个用户需求。一是实现外文资料辅助阅读和帮助不同母语的人们进行无障碍交流；二是计算机辅助翻译，帮助人工翻译降本增效；三是大数据分析和处理应用领域实现对多语言文字资料（也可以是图像和语音资料）进行加工处理，海量数据翻译对于人工翻译来说是无法完成的，机器翻译是大数据翻译的唯一有效解决方案。从上述三个需求可以看出，机器翻译和人工翻译本质上不存在严格冲突，属于两个平行轨道，两者可以和谐共存、相互帮助。对于机器翻译来说，至少有两个应用场景是其无法胜任的。第一个是要求高质量翻译结果，比如诗歌小说翻译出版；第二个是比如重要领导人讲话，轻易不允许出现低级翻译错误，否则有可能导致严重后果甚至国际纠纷。严格上来说，对译文准确性要求很高的应用 场景不可能简单采用机器翻译，必须由高水平的人工翻译参与来完成。

\parinterval 如何构建一套好的机器翻译系统呢？假设我们需要给用户提供一套翻译品质不错的机器翻译系统，至少需要考虑三个方面：足够大规模的双语句对集合用于训练、强大的机器翻译技术和错误驱动的打磨过程。从技术应用和产业化角度来看，简单靠提出一个新的机器翻译技术，对于构建一套好的机器翻译系统来说，只能说必要条件，不是充要条件，上述三者缺一不可。

\parinterval 然而，大部分语言对的电子化双语句对集合规模非常小，有的甚至只有一个小规模双语词典。因此资源稀缺语种机器翻译技术研究也成为学术界的研究热点，相信这个课题的突破能大大推动机器翻译技术落地应用。在2017年以前机器翻译市场规模一直很小，主要原因就是机器翻译品质不够好，就算采用最先进的神经机器翻译技术，缺乏足够大规模的双语句对集合作为训练数据，我们也是巧妇难为无米之炊。从技术研究和应用可行性角度来说，解决资源稀缺语种机器翻译问题非常有价值。我们通常可以从两个维度来思考，一是如何想办法获取更多双语句对，甚至包括质量低一点的伪双语数据；二是如何利用更少样本实现高效学习，或者如何充分利用单语数据资源或者可比较数据资源来提升模型学习效果。

\parinterval 做研究可以搞单点突破，但从可实用机器翻译系统构建来说，需要多技术互补融合，以解决实际问题和改善翻译品质。比如说，业内不少研究人员提出采用知识图谱来改善机器翻译，并希望用于解决稀缺资源语种机器翻译问题；还有一些研究工作引入语言分析技术来改善机器翻译，也有的将基于规则的方法、统计机器翻译技术与神经机器翻译技术互补性融合；另外还可以引入预训练技术来改善机器翻译品质，特别是针对稀缺资源语种机器翻译等等。不仅仅限于上述这些，总体来说，这些思路都具有良好的研究价值，但是从应用角度构建可实用机器翻译系统，我们还需要更多考虑技术落地可行性才行。比如大规模知识图谱构建的代价和语言分析技术的精度如何，预训练技术对机器翻译帮助的上限等。

\parinterval 通常我们把基于规则的方法、统计机器翻译和神经机器翻译称之为第一、第二和第三代机器翻译技术，很自然会问第四代机器翻译会如何发展？有人说是基于知识的机器翻译技术，也有人说是无监督机器翻译技术或者新的机器翻译范式等。在讨论第四代的问题前，我们能否先回答一个问题？所谓新一代机器翻译技术是否应该比目前机器翻译技术的翻译品质更好？现在的问题是实验结果显示，比如拿商用的英汉汉英新闻机器翻译系统举例，经过几个亿双语句对的训练学习后，翻译品质人工评价可以达到80-90\%之间，那我们需要回答的一个简单问题是所谓的第四代机器翻译技术准备在新闻领域翻译达到怎样的准确率呢？92\%或者93\%的数字估计无法支撑起新一代机器翻译技术的碾压性。

\parinterval 从历史发展观上来看，新一代的技术必然是存在，换句话说，第四代机器翻译技术一定会出现，只是不知道在什么时候而已。我们可以换个角度来讨论这个问题，神经机器翻译的红利还没有被挖尽，还存在很好的发展空间，在可预期的将来，神经机器翻译技术估计还是属于主流技术，但会产生大量变种。我们愿意把新一代机器翻译技术称之为面向具体应用场景的第四代机器翻译技术，本质上是针对不同应用条件、不同应用场景提出新一代能力更强的机器翻译技术，不是简单一个技术，而是一个技术集合，这是完全可能的。

\parinterval 近几年神经机器翻译技术大大提升了翻译品质，推动了机器翻译产业化的快速发展。与其它深度学习技术应用一样，缺乏可解释性成为了神经机器翻译一个被攻击点。我们先举个简单例子来说明一下，法庭上法官判决犯罪嫌疑人罪名成立，我们不可能简单说有罪或者无罪，同时会说明根据哪条法律法规作为依据，从判决过程来看，这些依据就是判决结果的解释。如果采用深度学习技术，只是一个有罪或无罪的结果，不提供任何依据细节，不能解释，估计犯罪嫌疑人肯定不服。回头来说，我们希望研究神经机器翻译技术的可解释性，目的是为了“纠错”，也可以有利于人工干预机制等。只有通过可解释性研究，搞清楚翻译错误的原因，最终找到解决方案来实现纠错，才是我们研究神经机器翻译技术可解释性的目的所在。

\parinterval 从上述例子我们可以得出一个分析，我们所需要的可解释性的内涵到底是结论推理的计算过程还是结论推理的以理服人呢？对可解释性的两种理解可能是不一样的，前者面向结论推理过程（how），后者面向结论可理解性（why）。回头来说，对神经机器翻译可解释性研究的目标，到底是前者还是后者呢？目前学术界有一些相关研究，比如对神经机器翻译模型中注意力机制的可视化分析软对齐结果等。但有一点是肯定的，我们希望研究神经机器翻译技术的可解释性，目的是为了“纠错”，也可以有利于人工干预机制等。只有通过可解释性研究，搞清楚翻译错误的原因，最终找到解决方案来实现纠错，才是我们研究神经机器翻译技术可解释性的目的所在。

\parinterval 除了翻译品质维度以外，机器翻译技术应用可以从三个维度来讨论，包括语种维度、领域维度和应用模式维度。机器翻译技术应该为全球用户服务，提供支持所有国家至少一种官方语言的翻译能力，实现任意两种语言的自动互译。面临的最大问题就是双语数据稀缺，上述已经讨论了这个问题。关于领域维度，通用领域翻译系统对于垂直领域应用来说是不够充分的，最典型的问题在于垂直领域术语翻译的问题，计算机不能无中生有。比较直接可行的解决方案至少有两个，一是引入垂直领域术语双语词典用于改善机器翻译效果；二是收集加工一定规模的垂直领域双语句对来优化训练翻译模型。这两种工程方法虽然简单，但效果不错，相对来说，两者结合才能更加有效，但问题是垂直领域双语句对的收集很多时候代价太高，不太可行，本质上就转换成为垂直领域资源稀缺问题和领域自适应学习问题，另外也可以引入小样本学习、迁移学习和联合学习等机器学习技术来改善这个问题。

\parinterval 接下来主要讨论一下机器翻译应用模式的软硬件环境。通常机器翻译典型应用属于在线翻译公有云服务，用户接入非常简单，只需要联网使用浏览器就可以自由免费使用。在某些具体行业应用中，用户对数据翻译安全性和保密性要求非常高，其中可能还会涉及到个性化订制要求，这一点在线翻译公有云服务就无法满足用户需求，本地部署机器翻译私有云和离线机器翻译技术和服务成为了新的应用模式。本地部署私有云的问题在于用户需要自己购买GPU服务器和建机房，硬件投入和代价不低，也许将来会出现一种新的应用模式：在线私有云或专有云，有点像服务托管模式。除此之外还有混合云服务，简单来说就是公有云、私有云和专有云的混合体。

\parinterval 离线机器翻译技术可以为更小型的智能翻译终端设备提供服务，比如大家熟悉的翻译机、翻译笔、翻译耳机等智能翻译设备，在不联网的情况下能够实现高品质机器翻译功能，这个应用模式具有很大的潜力。但需要解决的问题很多，首先是模型大小、翻译速度和翻译品质三大问题，之后还需要考虑不同操作系统（Linux、Android Q和iOS）和不同架构（比如x86、MIPS、ARM等）的CPU芯片的智能适配兼容问题。将来离线翻译系统还可以安装到办公设备上，比如传真机、打印机和复印机等，实现支持多语言的智能办公。目前人工智能芯片发展速度非常快，机器翻译芯片的研发面临的最大问题应该是缺少应用场景和上下游的应用支撑，一旦这个时机成熟，机器翻译芯片研发和应用也有可能会爆发。

\parinterval 机器翻译可以与文档解析、语音识别、OCR和视频字幕提取等技术相结合，丰富机器翻译的应用模式。文档解析技术可以帮助实现Word文档翻译、PDF文档翻译、WPS 文档翻译、邮件翻译等更多格式文档自动翻译的目标，也可以作为插件嵌入到各种办公平台中，成为智能办公好助手。语音识别与机器翻译是绝配，语音翻译用途广泛，比如翻译机、语音翻译APP和会议AI同传应用。但目前最大的问题主要体现在两个方面，一是很多实际应用场景中语音识别结果欠佳，造成错误蔓延，导致机器翻译结果不够理想；二是就算小语种的语音识别效果很好，但资源稀缺型小语种翻译性能不够好。OCR技术可以帮助实现扫描笔和翻译笔的应用、出国旅游的拍照翻译功能，将来还可以与穿戴式设备相结合，比如智能眼镜等等。视频字幕翻译能够帮助我们欣赏没有中文字幕的国外电影和电视节目，比如我们到达任何一个国家，打开电视都能够看到中文字幕，也是非常酷的应用。

\parinterval 上面提到的机器翻译技术大多采用串行流水线，只是简单将两个或者多个不同的技术连接在一起，比如语音翻译过程分两步：语音识别和机器翻译，也可以增加一个语音合成发音功能。其它翻译模式也大同小异，这个简单的串行流水线技术框架最大的问题就是错误蔓延，一旦某个技术环节准确率不够好，最后的结果就不会太好，比如90\%$\times$90\%=81\%。并且后续的技术环节不一定有能力纠正前面技术环节引入的错误，最终导致用户体验不够好。很多人说会议英中AI同传用户体验不够好，很自然以为是机器翻译出了问题，其实目前问题主要出在语音识别环节。

\parinterval 即使双语句对训练集合规模非常大、机器翻译技术在不断优化，但我们都知道机器翻译结果不可能完美，出现一些译文错误是难免的。如果我们想利用机器翻译技术来帮助人工翻译过程，比较常见的方式是译后编辑，即对自动译文进行人工修正错误。这就很自然产生两个实际问题，一是自动译文是否具有编辑价值？一个简单的计算方法就是编辑距离，即人工需要通过多少次增删改动作可以完成译后编辑过程。其次数越少，说明机器翻译对人工翻译的帮助越大。编辑距离本质上是一种译文质量评价的方法，可以考虑推荐具有较高译后编辑价值的自动译文给人工译员。第二个问题就是当机器翻译出现错误且人工译后编辑修正后，能否通过一种有效的错误反馈机制帮助机器翻译系统提高性能。学术界也有很多人研究这个问题，目前还没有取得大家满意的结果。除此之外还有另外一些问题：比如人机交互的用户体验问题，该需求很自然带起了交互式机器翻译技术研究，希望最大程度发挥人机协同合作效果，这个也是值得研究的课题。

\parinterval 回头讨论一下上述提到的第二个问题，机器翻译一直存在一个诟病就是用户不知道如何有效干预纠错，帮助机器翻译系统越来越好，并且我们也不希望它屡教不改。基于规则的方法和统计机器翻译方法相对容易实现人工干预纠错，实现手段比较丰富，而神经机器翻译方法存在不可解释性，难以有效实现人工干预纠错。目前有的研究人员深入研究引入外部知识库（用户双语术语库）来实现对集外词翻译的干预纠错；有的提出使用增量式训练方法不断迭代优化模型，也取得了一些进展；有的融合不同技术来实现更好的机器翻译效果，比如引入基于规则的翻译前处理和后处理，或者引入统计机器翻译技术优化译文选择等等。但这些方法代价不低甚至很高，并且性能提升的效果无法得到保障，有时候可能降低翻译品质，有点像跷跷板现象。总体来说，这个方向的研究工作成果还不够丰富，但对用户来说非常重要，如果能够采用隐性反馈学习方法，在用户不知不觉中不断改善优化机器翻译品质，就非常酷了，这也许会成为将来的一个研究热点。

\parinterval 最后简单评价一下机器翻译市场发展的趋势。机器翻译本身是个强刚需，用于解决全球用户多语言交流障碍问题。机器翻译产业真正热起来，应该归功于神经机器翻译技术应用，之前基于规则的方法和统计机器翻译技术虽然也在工业界得到了应用，但由于翻译品质没有达到用户预期，用户付费欲望比较差，没有良好的商业变现能力，导致机器翻译产业在2017年以前类似于“鸡肋”产业。严格上来说，2016年下半年开始，神经机器翻译技术工业界应用快速激活了用户需求，用户对机器翻译的认可度急剧上升，越来越丰富的应用模式和需求被挖掘出来，除了传统计算机辅助翻译CAT以外，语音和OCR与机器翻译技术结合，使得大家比较熟悉的语音翻译APP、翻译机、翻译笔、会议AI同传和垂直行业（专利、医药、旅游等）等的机器翻译解决方案也逐渐得到了广泛应用。总体来说，机器翻译产学研正处于快速上升期，每年市场规模达到至少100\%以上增长，随着多模态机器翻译和大数据翻译技术应用，应用场景会越来越丰富，随着5G甚至6G技术发展，视频翻译和电话通讯翻译等应用会进一步爆发。另外，随着人工智能芯片领域的发展，很自然地机器翻译芯片也会逐渐得到应用，比如嵌入到手机、打印机、复印机、传真机和电视机等智能终端设备，实现所有内容皆可翻译，任何场景皆可运行的目标，机器翻译服务将进入人们的日常生活中，无所不在，让生活更加美好！\\

\hfill 朱靖波

\hfill 2020.12.16


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