技术科普 | 用于翻译的神经网络

技术科普 | 用于翻译的神经网络

翻译技术教育与研究

 

2024年10月23日 00:23 

用于翻译的神经网络
神经网络改变了机器翻译领域,使实现不同语言之间更准确、更流畅的翻译成为可能。通过利用包括序列到序列(Seq2Seq)和Transformer在内的先进架构,这些模型可以成功应对语言的复杂性。凭借其处理上下文和利用注意力机制的能力,神经机器翻译(NMT)生成的翻译通常优于传统机器翻译的质量。随着对实时翻译和准确翻译需求的不断增长,NMT也在不断发展,以应对挑战并改善全球互联环境中的沟通。
本文将概述用于翻译的神经网络的背景和架构,还将介绍用于翻译的神经网络的训练过程,并强调神经网络训练语言模型在使用过程中可能出现的一些问题和限制。
背景介绍
在基于神经网络的语言翻译出现之前,以下方法被广泛使用:基于规则的翻译和统计机器翻译。基于规则的翻译依赖于明确的语言规范和词典,翻译人员通过建立严格的框架,规定将术语和句子从一种语言翻译成另一种语言的方法。该方法在规则定义明确时非常精确,尤其是针对特定的语言对,但它需要很长时间来开发和实施,而且缺乏灵活性,因为它往往不能正确使用习语和复杂句子。
另一方面,统计机器翻译(SMT)通过阅读大量双语文本内容的语料库,并根据这些统计数据计算短语和单词翻译的概率,从而应用统计模型来翻译文本内容。与基于规则的结构相比,统计机器翻译(SMT)能够处理多语言对,且所需的指导干预也要少得多,但它在处理信息上下文和细微差别时经常会遇到困难,而且由于它在很大程度上取决于训练记录的精细程度,这可能会导致不准确的出现。总体而言,早期的这些程序在特定区域证明了其优势,但在灵活性和适应性方面受到限制,尤其在不同语境下生成高质量翻译方面难度较高。
神经网络和深度学习简介

神经网络是受人脑形状和特征启发的计算模型。它们包括多层节点(神经元),系统输入信息、研究模式并生成输出。

深度学习是机器学习的一个子集,它使用多层神经网络(深度网络)从海量事实中研究表征。这项技术已在图片流行、语音处理和自然语言处理(NLP)等多个领域取得了显著成就。

用于翻译的神经网络架构
以下是用于翻译任务的关键神经网络架构概要:
1.递归神经网络 (RNNs)
RNNs通过保留一个捕获先前输入信息的隐藏区域来处理事实序列。它们是最先用于收集到收集任务(包括翻译)的神经架构。然而,由于梯度消失问题,在处理长度变化和依赖关系时难度较高。
2.长短期记忆网络(LSTMs)
一种专为捕捉长距离依赖关系而设计的RNN,由记忆单元组成,可以在较长的时间间隔内记录信息。LSTMs通过正确记录句子前半部分的语境来提高翻译质量,因此适合翻译复杂句子。
3.门控循环单元(GRUs
类似于LSTMs,但其架构更简单。GRUs的参数较少,因此训练起来更快。此外,GRUs在很多翻译任务中的表现与LSTMs不相上下,但在计算上更加方便快捷。
4.卷积神经网络 (CNNs)
卷积神经网络最初是为图片处理而设计的,不过它也可以通过将文本内容视为短语或字符链的方式来处理文本内容。,CNNs尤其擅长需要了解事实中的局部模式和层次结构的任务(包括词级翻译)。
5.Transformer网络
在论文Attention Is All You Need中介绍了Transformers使用自注意机制来权衡句子中不同短语的重要性,同时考虑到输入事实的并行处理。Transformers因其高效捕捉上下文的能力和可扩展性成为翻译任务的主流结构。它们还擅长管理长句和复杂的依赖关系。
6.来自Transformers的双向编码器表示法(BERT
BERT是一种基于Transformer的总体模型,它可以对每条指令(从左到右和从右到左)中的文本进行技术处理,从两个方面捕捉上下文。虽然BERT主要用于专业技术职责,但若将其纳入编码器-解码器架构,它可以为翻译进行一流的调整。
7.Seq2Seq模型
这些模型包括一个编码器和一个解码器,前者负责对输入序列进行技术处理,后者负责生成输出序列。这两个部分都可以使用RNNs、LSTMs或Transformers。
Seq2Seq模型是机器翻译的基础,它可以直接翻译完整的句子,而不是借助短语。
训练翻译神经网络

一般来说,练习语言模式有9个主要阶段。让我们简要介绍一下每个阶段的特点:

1.语言准备

  • 双语语料库。训练需要大量的平行文本(源语言和目标语言对)数据集。这些数据集的来源多种多样,包括文献、网站和权威文档。
  • 预处理。对文本数据进行清理和标记化,将句子转换成适合模型的编码。这可能还涉及小写、删除标点符号和管理独特字符。
2.标记化和嵌入
  • 标记化。句子被分解成更小的单位(标记),这些单位可以是单词、子单词或字符。子词标记化(如字节对编码)有助于处理词汇量之外的短语。
  • 嵌入。词在高维区域中表示为密集向量, 可以使用预先训练好的嵌入词(如 Word2Vec或GloVe),也可以在训练过程中研究嵌入词。
3.模型架构
  • 编码器-解码器结构。大多数翻译方式都使用编码器-解码器结构。编码器处理输入句子并创建上下文向量,而解码器则生成翻译输出。
注意力机制。利用注意力实现神经机器翻译,可使网络专注于建议的各个部分,即使建议的每个部分都具有概括性,也能显著提高翻译的准确性。
4.损失函数
  • 交叉熵损失。通常用于学习语言模型,测量预期概率分布与真实分布(目标短语的单次编码)之间的差异。
  • 序列级训练。序列训练损失(Sequence Training Loss)等技术可用于优化整个输出序列,而不是字符标记。
5.训练过程
  • 反向传播。该版本通过反向传播调整权重进行学习,在几次迭代中使损失特征最小化。
批量训练。通常将数据分批输入模型,以便进行绿色计算和梯度更新。
历时。训练方式会重复几个历元,并跟踪验证集上的表现,以避免过度拟合。
6.正则化
如丢弃、权重衰减和早期预防等技术,通过确保版本正确泛化到未见记录来防止过拟合。
7.评估指标
  • BLEU Score。基于版本输出与参考译文之间的n-gram重合度来评估翻译质量的常用指标。
  • 其他指标。METEOR、TER和ROUGE也可完全根据独特的标准来评估翻译。
8.微调和迁移学习
  • 可以在庞大的数据集上对模型进行预训练,然后在领域精确数据(如监狱或临床文本)上进行大调整,以提高在专业领域的整体性能。
9.持续学习
纳入个人备注和新记录可帮助模型随着时间的推移不断适应和改进,确保其在语言演变过程中保持适用性和准确性。
将神经网络用于翻译所面临的挑战和局限性

在此,我们将概述与使用基于神经网络的语言翻译相关的复杂情况和局限性:

1.数据要求

大型数据集。神经网络,尤其是深度学习方式,需要大量的双语训练信息。对于许多语言对,尤其是使用次数较低的资源语言,这样的数据集可能稀缺或不可用。

  • 数据
质量。训练数据的优劣会显著影响模型的整体性能。杂乱、不一致或对齐不当的数据可能会导致翻译效果不佳。
2.语境理解
  • 长距离依赖关系。虽然像Transformers这样的架构在处理上下文方面优于 RNNs,但冗长的句子或复杂的结构仍会造成困难的情况,从而导致意义传达缺失或连贯性较差。
  • 模糊性和多义性。如果周围的上下文不清楚,且出现一词多义现象,这可能会使模型难以处理,神经网络也难以仅根据上下文消除歧义。
以下是这类词(一词多义)的一些示例:
单词: “Bank”。该词可译为“银行”或“河岸”。含义为前者的例句:“她把钱存进了银行”。含义为后者的例句:“船漂到了河岸”。
单词: “Well”。该词也有多种译法:“健康状况良好”或“水井”。含义为前者的例句:“我希望你一切都好”。含义为后者的例句:“他们在后院挖了一口井”。
3.成语表达
  • 文化细微差别。神经网络也可能无法准确翻译成语、口语表达或具有文化独特性的引用,这可能导致输出结果别扭或无意义。
以下是一些神经网络可能难以准确翻译的成语表达和文化独特指代的例子,它们可能导致产生误解或生成无意义的翻译:
成语:“小菜一碟”(Piece of cake)。该成语的意思是非常容易感知或做到的事情。例如“考试小菜一碟”。但在翻译时可能会遇到困难,如将其直译为烘焙食品而不是轻松容易的含义。
文化引用:“The elephant in the room”(房间里的大象)。这一文化基准指的是人们避而不谈的明显问题或议题。例如“我们需要解决房间里的大象问题”(我们需要解决这个明显问题)。但在翻译过程中,由于不熟悉该国的文化特点,这句话可能会翻译得过于僵硬。
4.过度拟合
泛化问题。模型可能会在训练数据上表现良好,但在处理未见过的信息时就会出现问题,这主要是因为模型学会了记忆而没有学会泛化风格。
5.资源强度
  • 计算成本。训练深度神经网络需要大量的计算资源,以及高效的GPUs和大内存,但这些资源并非所有研究人员或团队都能获得。
  • 时间消耗。训练过程可能非常耗时,经常需要几天甚至几周的时间,这取决于版本大小和数据集。
6.评估挑战
  • 质量评估的主观性。BLEU分数等自动化指标提供了数值评估,但可能无法捕捉到翻译的细微差别,包括流畅性和文化适宜性。
缺乏语境评估。当前的评估指标通常不考虑翻译的使用语境,从而导致对翻译质量的错误判断。
7.领域适应
  • 专业词汇。采用新潮语言的模型可能会在使用精确行话和术语的专业领域(如监狱、临床等)中遇到困难,此时就需要进行额外的特殊调整。
以下是一些可能需要对语言模型进行领域调整的不同领域的专业词汇示例:
法律领域。如“原告”、“被告”、“管辖权”、“侵权”、“传票”等术语。例句:“原告申请即决判决”。
医学领域。如“诊断”、“预后”、“抗生素”、“症状”、“病原体”等术语。例句:“早期癌症患者的预后一般较好”。
  • 适应新领域。将模型转换到新的领域可能很困难,也可能需要在适用的数据集上进行重新训练或特殊调整。
8.偏见与公平
  • 训练数据中的偏见。如果训练数据包含偏见(如性别、种族),模型可能会在翻译中延续甚至放大这些偏见,从而导致不公平的表述。
  • 道德考虑。生成有害或有偏见内容的能力会引发道德问题,因此需要谨慎的监控和缓解措施。
9.可解释性的局限性
黑箱性质。神经网络通常被视为“黑箱”,这使得我们难以理解决策是如何做出的。这种不透明性会使调试和翻译系统中的真实构建复杂化。

 

结论
简而言之,神经网络通过提供卓越的架构和策略,提高了翻译的准确性和流畅性,从而改变了机器翻译领域。传统方法,包括基于规则和统计的方法,存在神经网络能够克服的局限性,特别是在处理上下文和复杂语言结构方面。然而,挑战依然存在,包括需要大量一流数据来训练模型的问题、偏见问题以及模型的“黑箱”性质。

(机器翻译,轻度译后编辑,仅供参考)

资讯总结
神经网络是受人脑形状和特征启发的计算模型,它改变了机器翻译领域,使实现不同语言之间更准确、更流畅的翻译成为可能。但与此同时它也面临着数据质量问题,专业领域适应问题,道德问题等诸多问题和挑战。而了解这些问题和挑战,有助于我们及时采取措施更好地克服其在使用过程中的困难,从而更好地为我们所用。

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