条件随机场CRF - 词标注 - 中文分词 - Python3实现

本文运用字标注法进行中文分词，使用4-tag对语料进行字标注，观察分词效果。模型方面选用开源的条件随机场工具包“CRF++: Yet Another CRF toolkit”进行分词。

        本文使用的中文语料资源是SIGHAN提供的backoff 2005语料，目前封闭测试最好的结果是4-tag+CFR标注分词，在北大语料库上可以在准确率，召回率以及F值上达到92%以上的效果，在微软语料库上可以到达96%以上的效果。

第一部分 条件随机场模型工具包安装说明

        在Linux或者Mac OS系统下，下载C++源代码安装包(这里用的是 CRF++-0.58.tar.gz ）之后，按照如下步骤进行安装：

        1.进入到代码主目录后，正常按照“configure & make & (sudo) make install就可以完成C++库的安装。

        2.再进入到子目录python下，安装python包：python setup.py build & (sudo) python setup.py install，这个python库是通过强大的SWIG生成的。

        3.安装完毕之后，可以在python解释器下测试，是否能成功import CRFPP，如果ok，则准备工作就绪。

        注意：在安装过程中或者是后面的运行过程中（具体什么时候我忘记了），如果报出下面的错误：

        ImportError: libcrfpp.so.0: cannot open shared object file: No such file or directory 

        错误的原因是未能引入libcrfpp.so.0库，查找库文件存在，于是建立链接： 

        32位系统  ln -s /usr/local/lib/libcrfpp.so.* /usr/lib/ 

        64位系统  ln -s /usr/local/lib/libcrfpp.so.* /usr/lib64/ 

        问题解决。

第二部分 模型相关知识介绍

        在CRF++ example里有个seg目录，这个seg目录对应的是一个日文分词的样例，正好可以套用到我们的中文分词中来。在安装包目录下，执行cd example和cd seg命令后，切换到seg目录后，发现有4个文件：

        exec.sh（执行脚本）
        template（特征模板）
        test.data（测试集）
        train.data（训练集)

       有了这4个文件，我们可以做得事情就比较简单，只要按测试集，训练集的格式准备数据就可以了，特征模板和执行脚本可以套用，不过这里简单解读一下这几个CRF++文件。首先来看训练集：

毎 k B
日 k I
新 k I
聞 k I
社 k I
特 k B
別 k I
顧 k B
問 k I
４ n B

        这里第一列是待分词的日文字，第二列暂且认为其是词性标记，第三列是字标注中的2-tag(B, I)标记，这个很重要，对于我们需要准备的训练集，主要是把这一列的标记做好，不过需要注意的是，其断句是靠空行来完成的。

        再来看测试集的格式：

よ h I
っ h I
て h I
私 k B
た h B
ち h I
の h B
世 k B
代 k I
が h B

        同样也有3列，第一列是日文字，第二列第三列与上面是相似的，不过在测试集里第三列主要是占位作用。事实上，CRF++对于训练集和测试集文件格式的要求是比较灵活的，首先需要多列，但不能不一致，既在一个文件里有的行是两列，有的行是三列；其次第一列代表的是需要标注的“字或词”，最后一列是输出位”标记tag”，如果有额外的特征，例如词性什么的，可以加到中间列里，所以训练集或者测试集的文件最少要有两列。

        接下里我们再来详细的分析一下特征模板文件：

# Unigram
U00:%x[ -2, 0]
U01:%x[ -1, 0]
U02:%x[ 0, 0]
U03:%x[ 1, 0]
U04:%x[ 2, 0]
U05:%x[ -2, 0]/%x[ -1, 0]/%x[ 0, 0]
U06:%x[ -1, 0]/%x[ 0, 0]/%x[ 1, 0]
U07:%x[ 0, 0]/%x[ 1, 0]/%x[ 2, 0]
U08:%x[ -1, 0]/%x[ 0, 0]
U09:%x[ 0, 0]/%x[ 1, 0]

# Bigram
B

        关于CRF++中特征模板的说明和举例，请大家参考官方文档上的“ Preparing feature templates ”这一节，而以下部分的说明拿上述日文分词数据举例。在特征模板文件中，每一行(如U00:%x[-2,0]）代表一个特征，而宏“%x[行位置,列位置]”则代表了相对于当前指向的token的行偏移和列的绝对位置，以上述训练集为例，如果当前扫描到“新 k I”这一行，

毎 k B
日 k I
新 k I <== 扫描到这一行，代表当前位置
聞 k I
社 k I
特 k B
別 k I
顧 k B
問 k I
４ n B

        那么依据特征模板文件抽取的特征如下：

# Unigram
U00:%x[ -2, 0] ==> 毎
U01:%x[ -1, 0] ==> 日
U02:%x[ 0, 0] ==> 新
U03:%x[ 1, 0] ==> 聞
U04:%x[ 2, 0] ==> 社
U05:%x[ -2, 0]/%x[ -1, 0]/%x[ 0, 0] ==> 每/日/新
U06:%x[ -1, 0]/%x[ 0, 0]/%x[ 1, 0] ==> 日/新/聞
U07:%x[ 0, 0]/%x[ 1, 0]/%x[ 2, 0] ==> 新/聞/社
U08:%x[ -1, 0]/%x[ 0, 0] ==> 日/新
U09:%x[ 0, 0]/%x[ 1, 0] ==> 新/聞

# Bigram
B

        CRF++里将特征分成两种类型，一种是Unigram的，“U”起头，另外一种是Bigram的，“B”起头。对于Unigram的特征，假如一个特征模板是”U01:%x[-1,0]“, CRF++会自动的生成一组特征函数(func1 … funcN) 集合:

func1 = if (output = B and feature= "U01:日") return 1 else return 0
func2 = if (output = I and feature= "U01:日") return 1 else return 0
....
funcXX = if (output = B and feature= "U01:問") return 1 else return 0
funcXY = if (output = I and feature= "U01:問") return 1 else return 0

        生成的特征函数的数目 = (L * N)，其中L是输出的类型的个数，这里是B，I这两个tag，N是通过模板扩展出来的所有单个字符串(特征）的个数，这里指的是在扫描所有训练集的过程中找到的日文字（特征）。

        而Bigram特征主要是当前的token和前面一个位置token的自动组合生成的bigram特征集合。最后需要注意的是U01和U02这些标志位，与特征token组合到一起主要是区分“U01:問”和“U02:問”这类特征，虽然抽取的日文”字”特征是一样的，但是在CRF++中这是有区别的特征。

        最后我们再来看一下执行脚本：

#!/bin/sh
../../crf_learn -f 3 -c 4.0 template train.data model
../../crf_test -m model test.data

../../crf_learn -a MIRA -f 3 template train.data model
../../crf_test -m model test.data
rm -f model

        执行脚本告诉了我们如何训练一个CRF模型，以及如何利用这个模型来进行测试，执行这个脚本之后，对于输入的测试集，输出结果多了一列：

よ h I B
っ h I I
て h I B
私 k B B
た h B B
ち h I I
の h B B
世 k B B
代 k I I
が h B B

        而这一列才是模型预测的改字的标记tag，也正是我们所需要的结果。到此为止，关于日文分词样例的介绍已经完毕，读者应该可以猜测到接下来我们会如何做中文分词吧？

第三部分 中文分词实践

        1.将backoff2005里的训练数据转化为CRF++所需的训练数据格式，语料选取的是以北京大学《人民日报》的语料，采用4-tag( B(Begin，词首), E(End，词尾), M(Middle，词中), S(Single,单字词))标记集，处理utf-8编码文本。

        原始训练集./icwb2-data/training/pku_training.utf8的形式是人工分好词的中文句子形式。根据如下的脚本 make_train.py，将这个训练语料转换为CRF++训练用的语料格式(2列，4-tag)：

#!/usr/bin/env python
#-*-coding:utf-8-*-

#4-tags for character tagging: B(Begin),E(End),M(Middle),S(Single)

import codecs
import sys

def character_tagging(input_file, output_file):
input_data = codecs.open(input_file, 'r', 'utf-8')
output_data = codecs.open(output_file, 'w', 'utf-8')
for line in input_data.readlines():
word_list = line.strip().split()
for word in word_list:
if len(word) == 1:
output_data.write(word + "\tS\n")
else:
output_data.write(word[ 0] + "\tB\n")
for w in word[ 1:len(word) -1]:
output_data.write(w + "\tM\n")
output_data.write(word[len(word) -1] + "\tE\n")
output_data.write( "\n")
input_data.close()
output_data.close()

if __name__ == '__main__':
if len(sys.argv) != 3:
print ( "Usage: python " + argv[ 0] + " input output")
sys.exit( -1)
input_file = sys.argv[ 1]
output_file = sys.argv[ 2]
character_tagging(input_file, output_file)

        结果（假定文件名为pku_training_tag.utf8，后文会用到）样例如下：

“ S
人 B
们 E
常 S
说 S
生 B
活 E
是 S
一 S
部 S
...

        

        2.有了这份训练语料，就可以利用crf的训练工具crf_learn来训练模型了，执行如下命令即可：crf_learn -f 3 -c 4.0 template pku_training_tag.utf8 crf_model
        训练的时间稍微有些长，在我的2G内存的机器上跑了将近567轮，大约21个小时，最终训练的crf_model约37M。有了模型，现在我们需要做得还是准备一份CRF++用的测试语料，然后利用CRF++的测试工具crf_test进行字标注。原始的测试语料是icwb2-data/testing/pku_test.utf8 ，下面的脚本会把测试语料转化为模型需要的格式（详见第二部分的介绍），并且把切分好的文件展现出来。脚本如下：

#!/usr/bin/env python
#-*-coding:utf-8-*-

#CRF Segmenter based character tagging:
# 4-tags for character tagging: B(Begin), E(End), M(Middle), S(Single)

import codecs
import sys

import CRFPP

def crf_segmenter(input_file, output_file, tagger):
input_data = codecs.open(input_file, 'r', 'utf-8')
output_data = codecs.open(output_file, 'w', 'utf-8')
for line in input_data.readlines():
tagger.clear()
for word in line.strip():
word = word.strip()
if word:
tagger.add((word + "\to\tB").encode( 'utf-8'))
tagger.parse()
size = tagger.size()
xsize = tagger.xsize()
for i in range( 0, size):
for j in range( 0, xsize):
char = tagger.x(i, j).decode( 'utf-8')
tag = tagger.y2(i)
if tag == 'B':
output_data.write( ' ' + char)
elif tag == 'M':
output_data.write(char)
elif tag == 'E':
output_data.write(char + ' ')
else:
output_data.write( ' ' + char + ' ')
output_data.write( '\n')
input_data.close()
output_data.close()

if __name__ == '__main__':
if len(sys.argv) != 4:
print "Usage: python " + sys.argv[ 0] + " model input output"
sys.exit( -1)
crf_model = sys.argv[ 1]
input_file = sys.argv[ 2]
output_file = sys.argv[ 3]
tagger = CRFPP.Tagger( "-m " + crf_model)
crf_segmenter(input_file, output_file, tagger)

第四部分 分词结果

        有了CRF字标注分词结果，我们就可以利用backoff2005的测试脚本来测一下这次分词的效果了：
./icwb2-data/scripts/score ./icwb2-data/gold/pku_training_words.utf8 ./icwb2-data/gold/pku_test_gold.utf8 pku_result.utf8 > pku_result.score
        注：pku_result.utf8为最终得到的分词结果文件
        结果如下：

        从上图可以看出，CRF分词的准确率为93.7%，召回率为92.3%。

参考文章：http://www.52nlp.cn/中文分词入门之字标注法4