子词技巧：The Tricks of Subword

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最近读到篇关于 NLP 中 Subword（子词）挺有意思的论文，BPE-Dropout: Simple and Effective Subword Regularization，对 BPE 技巧进行 dropout 改进，就获得很大提升。

提到子词，就想着干脆将这个话题捋一遍。关于子词，我最早在关于机器翻译的介绍中《神经机器翻译概览：基准模型与改进（上）》有提到，为了解决大词汇量的问题，所以用子词。

因为一般神经网络做 NLP 需建立词向量表，每个不同词都对应一个不同向量，即使两个词看起来相近，但在为经过训练的词向量表中可能没有任何关系。这就导致一个单词因为不同形态会产生各种不同词，特别对于某些形态学（Morphology）丰富语言（比如德语）尤为明显，这就造成了大词汇量问题。

而大词汇量又带来两个问题：

• 稀疏问题，某些出现频率低的词得不到充分训练；

• 过大计算量，对计算资源的浪费。

为解决这个问题，就要用到子词技巧了。什么是子词，就是将一般的词，比如 unigram 分解成更小单元，uni+gram，而这些小单元也有各自意思，同时这些小单元也能用到其他词里去。打个好理解的比方就是，一个会背单词的童靴，一般都会将单词分成词根词缀这些更小组成部分来背，而不是死背单词，这样可以使需要背的东西大大减少。因此同理通过将词分解成子词，也能将模型词汇量大大降低。

子词技巧可大致分成两个大的方向，一是如何分解成子词，二是如何在训练中用。

首先说如何将词分解成子词，因为不同角度可以有不同方案，所以也就产生了几种主流方法。

• Byte Pair Encoding (BPE) 法

• WordPiece 法

• Unigram Language Model

关于三种方法，Edward Ma 在其博客 3 subword algorithms help to improve your NLP model performance 有详细介绍，这里就提提我的理解，还有对里面的补充。

值得一提的是，现在主流的几种方法结果和语言学都没有太大的关系，反而都是统计学解决思路。

BPE 法

BPE 很早就有了，最早只是用于压缩的算法，而在 Neural Machine Translation of Rare Words with Subword Units 论文中在 NLP 领域得到推广。目前最流行方法，简单有效。

具体获得子词表的步骤是：

1. 准备语料，分解成最小单元比如英文中26个字母加上各种符号，这些作为初始词表；

2. 根据语料统计出现相邻符号对的频次；

3. 挑出频次最高符号对，比如说 t 和 h 组成的 th，加入词表，训练语料中所有该相邻符号对融合（merge），这里即所有 t 和 h 都变成 th;

4. 重复 2 和 3 操作，直到词表中单词数达到设定量，比如 32000。

WordPiece 法

在12年神经网络方法尚未流行的时候，在 Japanese and Korean Voice Search 就有提出。整体和 BPE 法相同，唯一不同在第2步，BPE 是统计频次，而 WordPiece 则是获得似然(Likelihood)，之后挑选最大似然的词对加入词表，完成 merge。

关于如何获得似然，先将整个语料按当前词表分解，接着在分解后的语料上训练语言模型，对整个语料获得一个似然值。之后在已有的词表上组合词对，获得新的词表，重新训练语言模型，对整个语料获得一个似然值。对比所有词对候选，挑选其中语言模型似然值提升最大的词对，将其正式加入词表。不断进行此操作，直到整个词表量达到设定值。

需详细解释的一点是关于训练细节，也是最开始我比较迷惑的地方。因为加入每个可能的词对都需重新训练语言模型，这样所要的计算资源会很大。读原文会发现，作者对这块特意进行了解释，通过以下策略来降低计算量：

• 只测试语料中出现的词对；

• 只测试有很大可能（高优先）是最好词对的候选；

• 同时测试几个词对，只要它们互不影响；

• 重训语言模型（并不需要是神经网络型），只重新计算受影响的部分。

因为 WordPiece 是谷歌内部库，所以相信谷歌也肯定设置了其他策略来改进 WordPice 方法。

上述两种方法都是增量法，即先初始化一个词表，再建立一个评估标准，每次挑最好的词对加入词表。而下来介绍的 Unigram Language Model 则可以当作是减量法。

Unigram Language Model 法

在论文 Subword Regularization: Improving Neural Network Translation Models with Multiple Subword Candidates 中提出。

关于此方法与其他方法的异同，首先它与 WordPiece 一样都用到语言模型来挑选子词，而不是像 BPE 统计频次，然后它和 BPE 以及 WordPiece 从表面上看一个大的不同是，前两者都是初始化一个小词表，然后一个个增加到限定的词汇量，而 Unigram Language Model 却是先初始一个大词表，接着通过语言模型评估不断减少词表，直到限定词汇量。

具体操作是：

1. 先建立一个足够大的种子词表，可以用所有字符的组合加上语料中常见的子字符串（用 Enhanced Suffix Array 来枚举）。对于种子词表，也能用 BPE 法来生成。

2. 固定词表，用 EM 算法来最优化当前词表在语料上的概率；

3. 之后计算每个子词的 loss，对应的 loss 相当于该子词有多大可能使总的 loss 降低；

4. 接着按照每个子词 loss 大小来排序，保留最大一定比例（比如说80%）的子词。

5. 不断重复2到4，直到词表量减少到限定范围。

在论文中除了这个 Unigram Language Model 获得子词的方法，作者还提出了一套 Subword Regularization 的针对子词的训练正则法，这也是开头提到的如何在训练中用。

在介绍正则法之前，需要先提一下一般训练是如何融入上面的分词法。比如 BPE，因为已经获得一份词表，所以在训练时，先按照子词表将训练数据拆开，预测时也可以是预测子词而不是整词，最后按照 BPE 词表还原出整词就行。比如说训练时先把 unigram 拆成 uni## ##gram，这样获得结果时只需找到##符去掉就行。

子词正则

相对于上述 BPE 这样拆分子词确定了的训练，子词正则在不同情况用不同拆分方法来拆分一个词。因此在训练中，作者们会用 Viterbi（维特比） 算法来对当前如何分词进行采样，之后获得分完的子词。

这个方法给训练的分词过程带来了随机性，结果表明相比起只用一种方案的确定性分词法，子词正则能够获得很大的提升。但同时也正如看到的，子词正则加上 Unigram Language Model 法过于复杂，所以应用难度也相应增大，不像 BPE 应用广泛。

BPE dropout

该方法非常简单，采取和子词正则相同思路，对 BPE 算法训练做了些改进，加入了一定的随机性。具体在每次对训练数据进行处理分词时，设定一定概率（10%）让一些融合不通过，于是即使是相同词，每次用 BPE dropout 生成出来的子词也都不一样。

图中绿色是每次融合字符对成功的，而红色则是 dropout 掉的。

通过该方法，可假定模型通过不同的分词方案，来获得对整词更好更全面的理解，之后的分析实验也表明了这一点。

最后在实际翻译任务的评估发现，该方法虽然简单，但却能够带来很大的提升，比起 Subword Regularization 还要大。

子词实战

要用上面这些子词技巧，最简单的方法就是直接用谷歌的 SentencePiece  包，其中除了 BPE 和  unigram language model 法外，还支持字符和词级别分词。当然，BPE 也可以用最经典的  subword-nmt 包。

而 WordPiece 则是谷歌内部的子词包，没对外公开，BERT 最初一版用的就是 WordPiece 分词。

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本文转载自公众号：安迪的写作间，作者：Andy

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