机器翻译与数据集
语言模型是自然语言处理的关键，而机器翻译是语言模型最成功的基准测试。因为机器翻译正是将输入序列转换成输出序列的序列转换模型（sequence transduction）的核心问题。序列转换模型在各类现代人工智能应用中发挥着至关重要的作用，因此我们将其做为本章剩余部分和 下一章：注意力机制 的重点。为此，本节将介绍机器翻译问题及其后文需要使用的数据集。
机器翻译（machine translation）指的是将序列从一种语言自动翻译成另一种语言。事实上，这个研究领域可以追溯到数字计算机发明后不久的20世纪40年代，特别是在第二次世界大战中使用计算机破解语言编码。几十年来，在使用神经网络进行端到端学习的兴起之前，统计学方法在这一领域一直占据主导地位[^1] [^2]。因为统计机器翻译（statistical machine translation）涉及了翻译模型和语言模型等组成部分的统计分析，因此基于神经网络的方法通常被称为神经机器翻译（neural machine translation），用于将两种翻译模型区分开来。
本书的关注点是神经网络机器翻译方法，强调的是端到端的学习。与 7.3 节 中的语料库是单一语言的语言模型问题存在不同，机器翻译的数据集是由源语言和目标语言的文本序列对组成的。因此，我们需要一种完全不同的方法来预处理机器翻译数据集，而不是复用语言模型的预处理程序。下面，我们看一下如何将预处理后的数据加载到小批量中用于训练。
from d2l import torch as d2l
import torch
import os下载和预处理数据集
首先，下载一个由 Tatoeba项目的双语句子对组成的“英－法”数据集，数据集中的每一行都是制表符分隔的文本序列对，序列对由英文文本序列和翻译后的法语文本序列组成。请注意，每个文本序列可以是一个句子，也可以是包含多个句子的一个段落。在这个将英语翻译成法语的机器翻译问题中，英语是源语言（source language），法语是目标语言（target language）。
#@save
d2l.DATA_HUB['fra-eng'] = (d2l.DATA_URL + 'fra-eng.zip',
'94646ad1522d915e7b0f9296181140edcf86a4f5')
#@save
def read_data_nmt():
"""载入“英语－法语”数据集"""
data_dir = d2l.download_extract('fra-eng')
with open(os.path.join(data_dir, 'fra.txt'), 'r',
encoding='utf-8') as f:
return f.read()
raw_text = read_data_nmt()
print(raw_text[:75])下载数据集后，原始文本数据需要经过几个预处理步骤。例如，我们用空格代替不间断空格（non-breaking space），使用小写字母替换大写字母，并在单词和标点符号之间插入空格。
#@save
def preprocess_nmt(text):
"""预处理“英语－法语”数据集"""
def no_space(char, prev_char):
return char in set(',.!?') and prev_char != ' '
# 使用空格替换不间断空格
# 使用小写字母替换大写字母
text = text.replace('\u202f', ' ').replace('\xa0', ' ').lower()
# 在单词和标点符号之间插入空格
out = [' ' + char if i > 0 and no_space(char, text[i - 1]) else char
for i, char in enumerate(text)]
return ''.join(out)
text = preprocess_nmt(raw_text)
print(text[:80])词元化
与 7.3 节 中的字符级词元化不同，在机器翻译中，我们更喜欢单词级词元化（最先进的模型可能使用更高级的词元化技术，例如词组）。下面的 tokenize_nmt 函数对前 num_examples 个文本序列对进行词元，其中每个词元要么是一个词，要么是一个标点符号。此函数返回两个词元列表：source 和 target：source[i] 是源语言（这里是英语）第 个文本序列的词元列表，target[i] 是目标语言（这里是法语）第 个文本序列的词元列表。
#@save
def tokenize_nmt(text, num_examples=None):
"""词元化“英语－法语”数据数据集"""
source, target = [], []
for i, line in enumerate(text.split('\n')):
if num_examples and i > num_examples:
break
parts = line.split('\t')
if len(parts) == 2:
source.append(parts[0].split(' '))
target.append(parts[1].split(' '))
return source, target
source, target = tokenize_nmt(text)
source[:6], target[:6]让我们绘制每个文本序列所包含的词元数量的直方图。在这个简单的“英－法”数据集中，大多数文本序列的词元数量少于个。
#@save
def show_list_len_pair_hist(legend, xlabel, ylabel, xlist, ylist):
"""绘制列表长度对的直方图"""
d2l.set_figsize()
_, _, patches = d2l.plt.hist(
[[len(l) for l in xlist], [len(l) for l in ylist]])
d2l.plt.xlabel(xlabel)
d2l.plt.ylabel(ylabel)
for patch in patches[1].patches:
patch.set_hatch('/')
d2l.plt.legend(legend)
show_list_len_pair_hist(['source', 'target'], '# tokens per sequence',
'count', source, target);
词表
由于机器翻译数据集由语言对组成，因此我们可以分别为源语言和目标语言构建两个词表。使用单词级词元化时，词表大小将明显大于使用字符级词元化时的词表大小。为了缓解这一问题，这里我们将出现次数少于2次的低频率词元视为相同的未知（<unk>）词元。除此之外，我们还指定了额外的特定词元，例如在小批量时用于将序列填充到相同长度的填充词元（<pad>），以及序列的开始词元（<bos>）和结束词元（<eos>）。这些特殊词元在自然语言处理任务中比较常用。
src_vocab = d2l.Vocab(source, min_freq=2,
reserved_tokens=['<pad>', '<bos>', '<eos>'])
len(src_vocab)加载数据集
回想一下，语言模型中的序列样本都有一个固定的长度，无论这个样本是一个句子的一部分还是跨越了多个句子的一个片断。这个固定长度是由 7.3 节 中的 num_steps（时间步数或词元数量）参数指定的。在机器翻译中，每个样本都是由源和目标组成的文本序列对，其中的每个文本序列可能具有不同的长度。
为了提高计算效率，我们仍然可以通过截断（truncation）和填充（padding）方式实现一次只处理一个小批量的文本序列。
- 假设同一个小批量中的每个序列都应该具有相同的长度
num_steps，那么如果文本序列的词元数目少于num_steps时，我们将继续在其末尾添加特定的<pad>词元，直到其长度达到num_steps； - 反之，我们将截断文本序列时，只取其前
num_steps个词元，并且丢弃剩余的词元。这样，每个文本序列将具有相同的长度，以便以相同形状的小批量进行加载。
如前所述，下面的 truncate_pad 函数将截断或填充文本序列。
#@save
def truncate_pad(line, num_steps, padding_token):
"""截断或填充文本序列"""
if len(line) > num_steps:
return line[:num_steps] # 截断
return line + [padding_token] * (num_steps - len(line)) # 填充
truncate_pad(src_vocab[source[0]], 10, src_vocab['<pad>'])现在我们定义一个函数，可以将文本序列转换成小批量数据集用于训练。
- 我们将特定的
<eos>词元添加到所有序列的末尾，用于表示序列的结束。当模型通过一个词元接一个词元地生成序列进行预测时，生成的<eos>词元说明完成了序列输出工作。 - 此外，我们还记录了每个文本序列的长度，统计长度时排除了填充词元，在稍后将要介绍的一些模型会需要这个长度信息。
#@save
def build_array_nmt(lines, vocab, num_steps):
"""将机器翻译的文本序列转换成小批量"""
lines = [vocab[l] for l in lines]
lines = [l + [vocab['<eos>']] for l in lines]
array = d2l.tensor([truncate_pad(
l, num_steps, vocab['<pad>']) for l in lines])
valid_len = d2l.reduce_sum(
d2l.astype(array != vocab['<pad>'], d2l.int32), 1)
return array, valid_len训练模型
最后，我们定义 load_data_nmt 函数来返回数据迭代器，以及源语言和目标语言的两种词表。
#@save
def load_data_nmt(batch_size, num_steps, num_examples=600):
"""返回翻译数据集的迭代器和词表"""
text = preprocess_nmt(read_data_nmt())
source, target = tokenize_nmt(text, num_examples)
src_vocab = d2l.Vocab(source, min_freq=2,
reserved_tokens=['<pad>', '<bos>', '<eos>'])
tgt_vocab = d2l.Vocab(target, min_freq=2,
reserved_tokens=['<pad>', '<bos>', '<eos>'])
src_array, src_valid_len = build_array_nmt(source, src_vocab, num_steps)
tgt_array, tgt_valid_len = build_array_nmt(target, tgt_vocab, num_steps)
data_arrays = (src_array, src_valid_len, tgt_array, tgt_valid_len)
data_iter = d2l.load_array(data_arrays, batch_size)
return data_iter, src_vocab, tgt_vocab下面我们读出“英语－法语”数据集中的第一个小批量数据。
train_iter, src_vocab, tgt_vocab = load_data_nmt(batch_size=2, num_steps=8)
for X, X_valid_len, Y, Y_valid_len in train_iter:
print('X:', d2l.astype(X, d2l.int32))
print('X的有效长度:', X_valid_len)
print('Y:', d2l.astype(Y, d2l.int32))
print('Y的有效长度:', Y_valid_len)
break小结
- 机器翻译指的是将文本序列从一种语言自动翻译成另一种语言。
- 使用单词级词元化时的词表大小，将明显大于使用字符级词元化时的词表大小。为了缓解这一问题，我们可以将低频词元视为相同的未知词元。
- 通过截断和填充文本序列，可以保证所有的文本序列都具有相同的长度，以便以小批量的方式加载。
练习
- 在
load_data_nmt函数中尝试不同的num_examples参数值。这对源语言和目标语言的词表大小有何影响？ - 某些语言（例如中文和日语）的文本没有单词边界指示符（例如空格）。对于这种情况，单词级词元化仍然是个好主意吗？为什么？
[^1]: Brown P F, Cocke J, Della Pietra S A, et al. A statistical approach to language translation[C]//Coling Budapest 1988 Volume 1: International Conference on Computational Linguistics. 1988. [^2]: Brown P F, Cocke J, Della Pietra S A, et al. A statistical approach to machine translation[J]. Computational linguistics, 1990, 16(2): 79-85.