# 神经网络机器翻译模型 ## 背景介绍 机器翻译利用计算机将源语言转换成目标语言的同义表达，是自然语言处理中重要的研究方向，有着广泛的应用需求，其实现方式也经历了不断地演化。传统机器翻译方法主要基于规则或统计模型，需要人为地指定翻译规则或设计语言特征，效果依赖于人对源语言与目标语言的理解程度。近些年来，深度学习的提出与迅速发展使得特征的自动学习成为可能。深度学习首先在图像识别和语音识别中取得成功，进而在机器翻译等自然语言处理领域中掀起了研究热潮。机器翻译中的深度学习模型直接学习源语言到目标语言的映射，大为减少了学习过程中人的介入，同时显著地提高了翻译质量。本例介绍在PaddlePaddle中如何利用循环神经网络（Recurrent Neural Network, RNN）构建一个端到端（End-to-End）的神经网络机器翻译（Neural Machine Translation, NMT）模型。 ## 模型概览 基于 RNN 的神经网络机器翻译模型遵循编码器－解码器结构，其中的编码器和解码器均是一个循环神经网络。将构成编码器和解码器的两个 RNN 沿时间步展开，得到如下的模型结构图：

图 1. 编码器－解码器框架

神经机器翻译模型的输入输出可以是字符，也可以是词或者短语。不失一般性，本例以基于词的模型为例说明编码器／解码器的工作机制： - **编码器**：将源语言句子编码成一个向量，作为解码器的输入。解码器的原始输入是表示词的 `id` 序列 $w = {w_1, w_2, ..., w_T}$，用独热（One-hot）码表示。为了对输入进行降维，同时建立词语之间的语义关联，模型为热独码表示的单词学习一个词嵌入（Word Embedding）表示，也就是常说的词向量，关于词向量的详细介绍请参考 PaddleBook 的[词向量](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/README.cn.md)一章。最后 RNN 单元逐个词地处理输入，得到完整句子的编码向量。 - **解码器**：接受编码器的输入，逐个词地解码出目标语言序列 $u = {u_1, u_2, ..., u_{T'}}$。每个时间步，RNN 单元输出一个隐藏向量，之后经 `Softmax` 归一化计算出下一个目标词的条件概率，即 $P(u_i | w, u_1, u_2, ..., u_{t-1})$。因此，给定输入 $w$，其对应的翻译结果为 $u$ 的概率则为 $$ P(u_1,u_2,...,u_{T'} | w) = \prod_{t=1}^{t={T'}}p(u_t|w, u_1, u_2, u_{t-1})$$ 以中文到英文的翻译为例，源语言是中文，目标语言是英文。下面是一句源语言分词后的句子 ``` 祝愿 祖国 繁荣 昌盛 ``` 对应的目标语言英文翻译结果为： ``` Wish motherland rich and powerful ``` 在预处理阶段，准备源语言与目标语言互译的平行语料数据，并分别构建源语言和目标语言的词典；在训练阶段，用这样成对的平行语料训练模型；在模型测试阶段，输入中文句子，模型自动生成对应的英语翻译，然后将生成结果与标准翻译对比进行评估。在机器翻译领域，BLEU 是最流行的自动评估指标之一。 ### RNN 单元 RNN 的原始结构用一个向量来存储隐状态，然而这种结构的 RNN 在训练时容易发生梯度弥散（gradient vanishing），对于长时间的依赖关系难以建模。因此人们对 RNN 单元进行了改进，提出了 LSTM\[[1](#参考文献)] 和 GRU\[[2](#参考文献)]，这两种单元以门来控制应该记住的和遗忘的信息，较好地解决了序列数据的长时依赖问题。以本例所用的 GRU 为例，其基本结构如下：

图 2. GRU 单元

可以看到除了隐含状态以外，GRU 内部还包含了两个门：更新门(Update Gate)、重置门(Reset Gate)。在每一个时间步，门限和隐状态的更新由图 2 右侧的公式决定。这两个门限决定了状态以何种方式更新。 ### 双向编码器 在上述的基本模型中，编码器在顺序处理输入句子序列时，当前时刻的状态只包含了历史输入信息，而没有未来时刻的序列信息。而对于序列建模，未来时刻的上下文同样包含了重要的信息。可以使用如图 3 所示的这种双向编码器来同时获取当前时刻输入的上下文：

图 3. 双向编码器结构示意图

图 3 所示的双向编码器\[[3](#参考文献)\]由两个独立的 RNN 构成，分别从前向和后向对输入序列进行编码，然后将两个 RNN 的输出合并在一起，作为最终的编码输出。 在 PaddlePaddle 中，双向编码器可以很方便地调用相关 APIs 实现： ```python src_word_id = paddle.layer.data( name='source_language_word', type=paddle.data_type.integer_value_sequence(source_dict_dim)) # source embedding src_embedding = paddle.layer.embedding( input=src_word_id, size=word_vector_dim) # # bidierctional GRU as encoder encoded_vector = paddle.networks.bidirectional_gru( input=src_embedding, size=encoder_size, fwd_act=paddle.activation.Tanh(), fwd_gate_act=paddle.activation.Sigmoid(), bwd_act=paddle.activation.Tanh(), bwd_gate_act=paddle.activation.Sigmoid(), return_seq=True) ``` ### 柱搜索（Beam Search） 算法 训练完成后的生成阶段，模型根据源语言输入，解码生成对应的目标语言翻译结果。解码时，一个直接的方式是取每一步条件概率最大的词，作为当前时刻的输出。但局部最优并不一定能得到全局最优，即这种做法并不能保证最后得到的完整句子出现的概率最大。如果对解的全空间进行搜索，其代价又过大。为了解决这个问题，通常采用柱搜索（Beam Search）算法。柱搜索是一种启发式的图搜索算法，用一个参数 $k$ 控制搜索宽度，其要点如下： **1**. 在解码的过程中，始终维护 $k$ 个已解码出的子序列； **2**. 在中间时刻 $t$, 对于 $k$ 个子序列中的每个序列，计算下一个词出现的概率并取概率最大的前 $k$ 个词，组合得到 $k^2$ 个新子序列； **3**. 取 **2** 中这些组合序列中概率最大的前 $k$ 个以更新原来的子序列; **4**. 不断迭代下去，直至得到 $k$ 个完整的句子，作为翻译结果的候选。 关于柱搜索的更多介绍，可以参考 PaddleBook 中[机器翻译](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/08.machine_translation/README.cn.md)一章中[柱搜索](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/08.machine_translation/README.cn.md#柱搜索算法)一节。 ### 无注意力机制的解码器 -PaddleBook中[机器翻译](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/08.machine_translation/README.cn.md)的相关章节中，已介绍了带注意力机制（Attention Mechanism）的 Encoder-Decoder 结构，本例则介绍的是不带注意力机制的 Encoder-Decoder 结构。关于注意力机制，读者可进一步参考 PaddleBook 和参考文献\[[3](#参考文献)]。 对于流行的RNN单元，PaddlePaddle 已有很好的实现均可直接调用。如果希望在 RNN 每一个时间步实现某些自定义操作，可使用 PaddlePaddle 中的`recurrent_layer_group`。首先，自定义单步逻辑函数，再利用函数 `recurrent_group()` 循环调用单步逻辑函数处理整个序列。本例中的无注意力机制的解码器便是使用`recurrent_layer_group`来实现，其中，单步逻辑函数`gru_decoder_without_attention()`相关代码如下： ```python # the initialization state for decoder GRU encoder_last = paddle.layer.last_seq(input=encoded_vector) encoder_last_projected = paddle.layer.fc( size=decoder_size, act=paddle.activation.Tanh(), input=encoder_last) # the step function for decoder GRU def gru_decoder_without_attention(enc_vec, current_word): ''' Step function for gru decoder :param enc_vec: encoded vector of source language :type enc_vec: layer object :param current_word: current input of decoder :type current_word: layer object ''' decoder_mem = paddle.layer.memory( name="gru_decoder", size=decoder_size, boot_layer=encoder_last_projected) context = paddle.layer.last_seq(input=enc_vec) decoder_inputs = paddle.layer.fc( size=decoder_size * 3, input=[context, current_word]) gru_step = paddle.layer.gru_step( name="gru_decoder", act=paddle.activation.Tanh(), gate_act=paddle.activation.Sigmoid(), input=decoder_inputs, output_mem=decoder_mem, size=decoder_size) out = paddle.layer.fc( size=target_dict_dim, bias_attr=True, act=paddle.activation.Softmax(), input=gru_step) return out ``` 在模型训练和测试阶段，解码器的行为有很大的不同： - **训练阶段**：目标翻译结果的词向量`trg_embedding`作为参数传递给单步逻辑`gru_decoder_without_attention()`，函数`recurrent_group()`循环调用单步逻辑执行，最后计算目标翻译与实际解码的差异cost并返回； - **测试阶段**：解码器根据最后一个生成的词预测下一个词，`GeneratedInput()`自动取出模型预测出的概率最高的$k$个词的词向量传递给单步逻辑，`beam_search()`函数调用单步逻辑函数`gru_decoder_without_attention()`完成柱搜索并作为结果返回。 训练和生成的逻辑分别实现在如下的`if-else`条件分支中： ```python group_input1 = paddle.layer.StaticInput(input=encoded_vector) group_inputs = [group_input1] decoder_group_name = "decoder_group" if is_generating: trg_embedding = paddle.layer.GeneratedInput( size=target_dict_dim, embedding_name="_target_language_embedding", embedding_size=word_vector_dim) group_inputs.append(trg_embedding) beam_gen = paddle.layer.beam_search( name=decoder_group_name, step=gru_decoder_without_attention, input=group_inputs, bos_id=0, eos_id=1, beam_size=beam_size, max_length=max_length) return beam_gen else: trg_embedding = paddle.layer.embedding( input=paddle.layer.data( name="target_language_word", type=paddle.data_type.integer_value_sequence(target_dict_dim)), size=word_vector_dim, param_attr=paddle.attr.ParamAttr(name="_target_language_embedding")) group_inputs.append(trg_embedding) decoder = paddle.layer.recurrent_group( name=decoder_group_name, step=gru_decoder_without_attention, input=group_inputs) lbl = paddle.layer.data( name="target_language_next_word", type=paddle.data_type.integer_value_sequence(target_dict_dim)) cost = paddle.layer.classification_cost(input=decoder, label=lbl) return cost ``` ## 数据准备 本例所用到的数据来自[WMT14](http://www-lium.univ-lemans.fr/~schwenk/cslm_joint_paper/)，该数据集是法文到英文互译的平行语料。用[bitexts](http://www-lium.univ-lemans.fr/~schwenk/cslm_joint_paper/data/bitexts.tgz)作为训练数据，[dev+test data](http://www-lium.univ-lemans.fr/~schwenk/cslm_joint_paper/data/dev+test.tgz)作为验证与测试数据。在PaddlePaddle中已经封装好了该数据集的读取接口，在首次运行的时候，程序会自动完成下载，用户无需手动完成相关的数据准备。 ## 模型的训练与测试 在定义好网络结构后，就可以进行模型训练与测试了。根据用户运行时传递的参数是`--train` 还是 `--generate`，Python 脚本的 `main()` 函数分别调用函数`train()`和`generate()`来完成模型的训练与测试。 ### 模型训练 模型训练阶段，函数 `train()` 依次完成了如下的逻辑： **a) 由网络定义，解析网络结构，初始化模型参数** ```python # initialize model cost = seq2seq_net(source_dict_dim, target_dict_dim) parameters = paddle.parameters.create(cost) ``` **b) 设定训练过程中的优化策略、定义训练数据读取 `reader`** ```python # define optimization method optimizer = paddle.optimizer.RMSProp( learning_rate=1e-3, gradient_clipping_threshold=10.0, regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=8e-4)) # define the trainer instance trainer = paddle.trainer.SGD( cost=cost, parameters=parameters, update_equation=optimizer) # define data reader wmt14_reader = paddle.batch( paddle.reader.shuffle( paddle.dataset.wmt14.train(source_dict_dim), buf_size=8192), batch_size=55) ``` **c) 定义事件句柄，打印训练中间结果、保存模型快照** ```python # define the event_handler callback def event_handler(event): if isinstance(event, paddle.event.EndIteration): if not event.batch_id % 100 and event.batch_id: with gzip.open( os.path.join(save_path, "nmt_without_att_%05d_batch_%05d.tar.gz" % event.pass_id, event.batch_id), "w") as f: parameters.to_tar(f) if event.batch_id and not event.batch_id % 10: logger.info("Pass %d, Batch %d, Cost %f, %s" % ( event.pass_id, event.batch_id, event.cost, event.metrics)) ``` **d) 开始训练** ```python # start to train trainer.train( reader=wmt14_reader, event_handler=event_handler, num_passes=2) ``` 启动模型训练的十分简单，只需在命令行窗口中执行 ```bash python train.py ``` 输出样例为 ```text Pass 0, Batch 0, Cost 267.674663, {'classification_error_evaluator': 1.0} ......... Pass 0, Batch 10, Cost 172.892294, {'classification_error_evaluator': 0.953895092010498} ......... Pass 0, Batch 20, Cost 177.989329, {'classification_error_evaluator': 0.9052488207817078} ......... Pass 0, Batch 30, Cost 153.633665, {'classification_error_evaluator': 0.8643803596496582} ......... Pass 0, Batch 40, Cost 168.170543, {'classification_error_evaluator': 0.8348183631896973} ``` ### 模型测试 模型测试阶段，函数`generate()`执行了依次如下逻辑： **a) 加载测试样本** ```python # load data samples for generation gen_creator = paddle.dataset.wmt14.gen(source_dict_dim) gen_data = [] for item in gen_creator(): gen_data.append((item[0], )) ``` **b) 初始化模型，执行`infer()`为每个输入样本生成`beam search`的翻译结果** ```python beam_gen = seq2seq_net(source_dict_dim, target_dict_dim, True) with gzip.open(init_models_path) as f: parameters = paddle.parameters.Parameters.from_tar(f) # prob is the prediction probabilities, and id is the prediction word. beam_result = paddle.infer( output_layer=beam_gen, parameters=parameters, input=gen_data, field=['prob', 'id']) ``` **c) 加载源语言和目标语言词典，将`id`序列表示的句子转化成原语言并输出结果** ```python beam_result = inferer.infer(input=test_batch, field=["prob", "id"]) gen_sen_idx = np.where(beam_result[1] == -1)[0] assert len(gen_sen_idx) == len(test_batch) * beam_size start_pos, end_pos = 1, 0 for i, sample in enumerate(test_batch): print(" ".join([ src_dict[w] for w in sample[0][1:-1] ])) # skip the start and ending mark when print the source sentence for j in xrange(beam_size): end_pos = gen_sen_idx[i * beam_size + j] print("%.4f\t%s" % (beam_result[0][i][j], " ".join( trg_dict[w] for w in beam_result[1][start_pos:end_pos]))) start_pos = end_pos + 2 print("\n") ``` 模型测试的执行与模型训练类似，只需执行 ```bash python generate.py ``` 设置beam search的宽度为3，输入为一个法文句子，则自动为测试数据生成对应的翻译结果，输出格式如下： ```text Elles connaissent leur entreprise mieux que personne . -3.754819 They know their business better than anyone . -4.445528 They know their businesses better than anyone . -5.026885 They know their business better than anybody . ``` - 第一行为输入的源语言句子。 - 第二 ~ `beam_size + 1` 行是柱搜索生成的 `beam_size` 条翻译结果 - 一行之内以“\t”分隔为两列，第一列是句子的log 概率，第二列是翻译结果的文本。 - `` 表示句子的开始，``表示一个句子的结束，如果出现了在词典中未包含的词，则用``替代。 至此，我们在 PaddlePaddle 上实现了一个初步的机器翻译模型。我们可以看到，PaddlePaddle 提供了灵活丰富的API供大家选择和使用，使得我们能够很方便完成各种复杂网络的配置。机器翻译本身也是个快速发展的领域，各种新方法新思想在不断涌现。在学习完本例后，读者若有兴趣和余力，可基于 PaddlePaddle 平台实现更为复杂、性能更优的机器翻译模型。 ## 参考文献 [1] Sutskever I, Vinyals O, Le Q V. [Sequence to Sequence Learning with Neural Networks](https://arxiv.org/abs/1409.3215)[J]. 2014, 4:3104-3112. [2]Cho K, Van Merriënboer B, Gulcehre C, et al. [Learning phrase representations using RNN encoder-decoder for statistical machine translation](http://www.aclweb.org/anthology/D/D14/D14-1179.pdf)[C]. Proceedings of the 2014 Conference on Empirical Methods in Natural Language Processing (EMNLP), 2014: 1724-1734. [3] Bahdanau D, Cho K, Bengio Y. [Neural machine translation by jointly learning to align and translate](https://arxiv.org/abs/1409.0473)[C]. Proceedings of ICLR 2015, 2015