CH1-语言模型和解码算法

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1、NLG的定义及应用场景

NLG是指，生产出任何新文本。被用于以下场景：

1. 机器翻译
2. 摘要
3. 对话（任务型、闲聊型、问答型）
4. 创意写作：写故事，写诗
5. 生成式，相比于抽取式
6. 图像描述

2、语言模型

2.1 LM

语言建模（Language Modeling）是指，在给定词语的情况下，预测下一个词的概率，用公式表示为：

$P(y_t|y_1,...,y_(t-1))$

而语言模型（Language Model）是只一种系统，用以预测上述概率的分布。

2.2 RNN-LM

如果用RNN网络来预测上述概率，那么这个语音模型就称为RNN-LM。

2.3 Conditional LM

如果出了已出现的词，我们还知道其他的输入条件，那么我们就可以进行条件语言建模（ConditionalLanguageModel），用公式表示为

$P(y_t|y_1,...,y_(t-1),x)$

这种建模方法在很多应用中都有用到：

• 机器翻译：x是源句子，y是目标句子
• 摘要生成：x是输入文本，y是摘要文本
• 对话：x是历史聊天记录，y是下一句话

2.4 泛RNN语言模型的训练

一般模型有两部分组成：编码器（RNN）和解码器（RNN）。

有一种训练方式，是将真正的生成句子输入解码器中，而不是解码器生成的句子。这种训练方式是Teacher Forcing

以NeuralMachineTranslation为例：

3、解码算法

语言模型训练好之后，我们会通过解码算法来生成文本。

这里会介绍两种解码算法，贪心解码(Greedy Decoding)算法和簇搜索(Beam Search)算法

3.1 贪心解码算法

一种比较简单的算法，就是在每一步中预测最有可能的那个词. 这个词会被作为下一次预测时的输入。

上述过程是重复进行的，直到预测出结束符<END>或者生成的词个数已经达到设定的最大值。

整个过程如下图所示：

GreedyDecoding算法的缺点在于，由于没有backtracking回溯过程，即每一次的最好并不是全局的最佳，所以文本生成的效果不是特别好，比如会出现不符合语法逻辑、不自然、不合理的情况。

3.2 beam search解码算法

搜索算法旨在从若干可能的句子里，一次就找出可能性比较高的句子，这个句子可能并不是最优的结果。

核心思想：在每一步解码过程中，跟踪k个最可能的部分序列（我们称之为假设 hypotheses ），这个k就是 束大小，beam size

生成阶段的循环过程结束时，选择概率最大的句子片段（这里的片段是因为还要考虑到生成长度，所以我们会进行一些调整）

举个例子如下图，此时k=2

蓝色的数字值是该句子的得分$score(y_i|y_1,..,y_(i-1),x)$，通过如下公式计算得到：

$\sum_{i=1}^{t} \log P_{\mathrm{LM}}\left(y_{i} | y_{1}, \ldots, y_{i-1}, x\right)$

每个时间步都只保留了k=2个节点往下继续搜索。最后pie对应的路径打分最高，最后的句子是

he hit me with a pie

从图中可以看出，不同路径预测输出结束标志符的时间点可能不一样，比如第三步时，已经有I was hit这样一个结果还不错的句子产生了，这样一句预测完成的句子，称之为完全路径。

为了从不同长度的完全路径中挑选一个最佳答案，我们会根据生成句子的长度进行分值的归一化，

$\frac{1}{t} \sum_{i=1}^{t} \log P_{\mathrm{LM}}\left(y_{i} | y_{1}, \ldots, y_{i-1}, x\right)$

不同大小的k对结果有什么影响呢？

如果k越小的话，每次考虑的范围就越小，出现的问题约同贪心解码（k=1时就回退到贪心解码）

k越大的话，每一步都需要更多假设，会造成更多计算量。

不仅如此，对NMT来说，k越大，BLEU 值会越小，因为即使对长度进行了归一化，但是k越大，越偏向生成短文本。NMT的六大挑战一文中，对比了不同k情况下的BLEU值，

可以看到，k越大，生成质量越差，特别是如果没有进行长度归一化，结果会更差。当然不同场景下，最优k值也是不同的，比如Czech–English的翻译中，k选4最好，而English– Romanian翻译中，k=30会得到最好的结果。

此外，在闲聊型对话任务中，k越大，生成的答案通用性越强（示例见下图）

当一方说，“我大多情况下都以生鲜为主，不怎么去杂货店买东西”，可以看到k比较小的时候，回答都是比较有主题的，比如围绕饮食、健康开展的。而随着k变大，回复也变得含含糊糊，不会答错但是也没那么相关，有一点答非所问。

3.3 基于采样的解码算法

因为beam seach中每次要进行k个hypothese，所以可能不会那么efficient.这就推进了基于采样的解码算法诞生。

3.3.1 PureSampling

每一个时间步 $t$下，从分布 $P_t$中随机选一个作为下一个词.和贪心解码算法一样，也是每次只选一个词，但是随机的而不是选概率最大。

3.3.2 Top-n Sampling

每一个时间步 $t$下，从分布 $P_t$中,按照概率选取 $n$个，再从中随机选一个。

可以看到当 $n=1$时就是贪心，当 $n=1$时就是pure sample

$n$越大，生成的文本更具有多样性，当然也更加危险，因为不知道会出来什么玩意儿。

$n$越小，生成的文本更加具有通用性，虽然可能有点跑偏，但是生成的文本比较安全，不会出错。

3.3.3 不是解码算法的 Softmax temperature

在beam search和sampling的解码算法中，我们都是根据概率大小进行选择的。在softmax过程中，我们还会做一点变化，引入了一个温度参数 $\tau$

$P_{t}(w)=\frac{\exp \left(s_{w} / \tau\right)}{\sum_{w^{\prime} \in V} \exp \left(s_{w^{\prime}} / \tau\right)}$

$\tau$越大， $P_t$分布就会越平滑，词表中每个词被选中的概率就会比较平均，所以生成的结果越具有多样性。

$\tau$越小， $P_t$分布就会越尖锐，词表中每个词被选中的概率就会不平均，总有一些词选不到，而另外一些词总被选到，所以生成的结果越比较常见。

3.4 解码算法总结

贪心解码算法非常简单，但是效果也不好

束搜索效果比较好，但是也会出现回答太普通，太短等问题。

采样方法则是结果更具有多样性