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。

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 :cite:Brown.Cocke.Della-Pietra.ea.1988,Brown.Cocke.Della-Pietra.ea.1990。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。

关注神经网络机器翻译方法，强调的是端到端的学习。与语言模型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。

import os
import torch
from d2l import torch as d2l

[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
# 将“英语－法语”数据集的URL和校验码添加到d2l.DATA_HUB中
# d2l.DATA_HUB是一个字典，用于存储数据集的下载链接和校验码
# 'fra-eng' 是数据集的名称
# d2l.DATA_URL 是数据集的基础URL
# '94646ad1522d915e7b0f9296181140edcf86a4f5' 是数据集的SHA-1校验码，用于验证文件完整性
d2l.DATA_HUB['fra-eng'] = (d2l.DATA_URL + 'fra-eng.zip','94646ad1522d915e7b0f9296181140edcf86a4f5')# @savedef read_data_nmt():"""载入“英语－法语”数据集。返回：str包含整个数据集的文本内容，每一行是一个制表符分隔的文本序列对。"""# 下载并解压“英语－法语”数据集# d2l.download_extract 会根据提供的名称从 d2l.DATA_HUB 下载数据集并解压data_dir = d2l.download_extract('fra-eng')# 打开解压后的数据文件 'fra.txt'，以只读模式读取内容# 使用 UTF-8 编码以确保正确处理非ASCII字符with open(os.path.join(data_dir, 'fra.txt'), 'r',encoding='utf-8') as f:# 读取整个文件内容并返回return f.read()# 调用 read_data_nmt 函数，读取“英语－法语”数据集的原始文本内容
raw_text = read_data_nmt()
# 打印原始文本的前75个字符，方便快速查看数据内容
print(raw_text[:75])

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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):"""判断是否需要在当前字符和前一个字符之间插入空格。如果当前字符是标点符号（如,.!?）且前一个字符不是空格，则返回True。"""return char in set(',.!?') and prev_char != ' '# 使用空格替换不间断空格（\u202f）和不可换行空格（\xa0）# 将所有字符转换为小写字母text = text.replace('\u202f', ' ').replace('\xa0', ' ').lower()# 遍历文本中的每个字符# 如果当前字符是标点符号且前一个字符不是空格，则在标点符号前插入一个空格# 否则，保持字符不变out = [' ' + char if i > 0 and no_space(char, text[i - 1]) else charfor i, char in enumerate(text)]# 将字符列表合并为字符串并返回return ''.join(out)# 对原始文本进行预处理
text = preprocess_nmt(raw_text)# 打印预处理后的文本的前80个字符
print(text[:80])

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词元化

与语言模型中的字符级词元化不同，在机器翻译中，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）。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 $i$ 个文本序列的词元列表，target[i]是目标语言（这里是法语）第 $i$ 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”数据集。将文本数据分割成源语言和目标语言的词元列表。参数：text: str包含“英语－法语”数据集的原始文本。每一行是一个制表符分隔的文本序列对（英语和法语）。num_examples: int, 可选指定要处理的最大文本序列对数量。如果为None，则处理所有文本序列对。返回：source: list of list of str源语言（英语）的词元列表，每个子列表对应一个文本序列。target: list of list of str目标语言（法语）的词元列表，每个子列表对应一个文本序列。"""source, target = [], []  # 初始化源语言和目标语言的词元列表for i, line in enumerate(text.split('\n')):  # 按行分割文本数据if num_examples and i > num_examples:  # 如果达到指定的最大数量，则停止处理breakparts = line.split('\t')  # 按制表符分割每一行，得到源语言和目标语言的文本"""line = "I am a student.\tJe suis un étudiant.""""if len(parts) == 2:  # 确保每一行有且仅有两个部分（源语言和目标语言）source.append(parts[0].split(' '))  # 将源语言文本按空格分割成词元列表target.append(parts[1].split(' '))  # 将目标语言文本按空格分割成词元列表return source, target  # 返回源语言和目标语言的词元列表# 对预处理后的文本进行词元化
source, target = tokenize_nmt(text)# 打印源语言和目标语言的前6个文本序列的词元列表
source[:6], target[:6]

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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 $20$ 个。

#@save
def show_list_len_pair_hist(legend, xlabel, ylabel, xlist, ylist):"""绘制两个列表中元素长度的直方图。参数：legend: list of str图例的标签列表，用于标识两个列表的名称。xlabel: strx轴的标签，表示横轴的含义。ylabel: stry轴的标签，表示纵轴的含义。xlist: list of list第一个列表，包含多个子列表，每个子列表的长度将用于绘制直方图。ylist: list of list第二个列表，包含多个子列表，每个子列表的长度将用于绘制直方图。"""# 设置图形的大小d2l.set_figsize()# 绘制直方图，统计两个列表中每个子列表的长度# patches 是一个包含直方图条形对象的列表_, _, patches = d2l.plt.hist([[len(l) for l in xlist], [len(l) for l in ylist]])  # 计算每个子列表的长度并绘制直方图# 设置x轴的标签d2l.plt.xlabel(xlabel)# 设置y轴的标签d2l.plt.ylabel(ylabel)# 为第二个列表的直方图条形添加斜线填充样式，以便区分两个列表for patch in patches[1].patches:patch.set_hatch('/')# 添加图例，用于标识两个列表d2l.plt.legend(legend)# 调用函数，绘制源语言和目标语言的词元数量直方图
show_list_len_pair_hist(['source', 'target'], '# tokens per sequence','count', source, target);

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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。
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加载数据集

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。这个固定长度是由语言模型中的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。参数：line: list of int表示文本序列的词元索引列表。num_steps: int指定序列的目标长度。padding_token: int用于填充的特殊词元索引。返回：list of int经过截断或填充后的文本序列，长度为num_steps。"""if len(line) > num_steps:# 如果序列长度超过目标长度，则截断到目标长度return line[:num_steps]# 如果序列长度小于目标长度，则在末尾填充指定的填充词元，直到达到目标长度"""在 Python 中，列表乘法（*）的行为是：如果乘数为正数，生成一个重复的列表。如果乘数为 0 或负数，返回一个空列表。"""return line + [padding_token] * (num_steps - len(line))# 调用truncate_pad函数，对源语言的第一个文本序列进行截断或填充
# 将其转换为长度为10的序列，使用src_vocab['<pad>']作为填充词元
truncate_pad(src_vocab[source[0]], 10, src_vocab['<pad>'])

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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。参数：lines: list of list of str文本序列的词元列表，每个子列表表示一个文本序列。vocab: d2l.Vocab词表对象，用于将词元转换为索引。num_steps: int每个序列的目标长度（时间步数）。返回：array: torch.Tensor转换后的张量，形状为 (batch_size, num_steps)，每行表示一个经过截断或填充的文本序列。valid_len: torch.Tensor每个序列的有效长度（不包括填充词元的长度），形状为 (batch_size,)。"""# 将每个文本序列中的词元转换为对应的索引lines = [vocab[l] for l in lines]# 在每个序列的末尾添加特殊的结束词元（<eos>）lines = [l + [vocab['<eos>']] for l in lines]# 对每个序列进行截断或填充，使其长度为num_steps# 并将结果转换为PyTorch张量array = torch.tensor([truncate_pad(l, num_steps, vocab['<pad>']) for l in lines])# 计算每个序列的有效长度（不包括填充词元的长度）# 使用 (array != vocab['<pad>']) 判断哪些位置不是填充词元# 然后对每行的非填充词元计数valid_len = (array != vocab['<pad>']).type(torch.int32).sum(1)# 返回转换后的张量和有效长度return array, valid_len

训练模型

最后定义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。参数：batch_size: int每个小批量的样本数量。num_steps: int每个序列的目标长度（时间步数）。num_examples: int, 可选要处理的最大文本序列对数量，默认为600。返回：data_iter: torch.utils.data.DataLoader数据迭代器，用于按小批量加载数据。src_vocab: d2l.Vocab源语言的词表对象。tgt_vocab: d2l.Vocab目标语言的词表对象。"""# 读取并预处理原始的“英语－法语”数据集text = preprocess_nmt(read_data_nmt())# 对预处理后的文本进行词元化，得到源语言和目标语言的词元列表source, target = tokenize_nmt(text, num_examples)# 构建源语言的词表，过滤掉出现次数少于2次的低频词元# 并添加特殊词元（<pad>, <bos>, <eos>）src_vocab = d2l.Vocab(source, min_freq=2,reserved_tokens=['<pad>', '<bos>', '<eos>'])# 构建目标语言的词表，过滤掉出现次数少于2次的低频词元# 并添加特殊词元（<pad>, <bos>, <eos>）tgt_vocab = d2l.Vocab(target, min_freq=2,reserved_tokens=['<pad>', '<bos>', '<eos>'])# 将源语言的词元列表转换为张量，并进行截断或填充# src_array: 转换后的张量，形状为 (num_examples, num_steps)# src_valid_len: 每个序列的有效长度（不包括填充词元的长度）src_array, src_valid_len = build_array_nmt(source, src_vocab, num_steps)# 将目标语言的词元列表转换为张量，并进行截断或填充# tgt_array: 转换后的张量，形状为 (num_examples, num_steps)# tgt_valid_len: 每个序列的有效长度（不包括填充词元的长度）tgt_array, tgt_valid_len = build_array_nmt(target, tgt_vocab, num_steps)# 将源语言和目标语言的张量及其有效长度打包为一个元组data_arrays = (src_array, src_valid_len, tgt_array, tgt_valid_len)# 使用d2l提供的load_array函数，将数据打包为数据迭代器# data_iter: 数据迭代器，用于按小批量加载数据data_iter = d2l.load_array(data_arrays, batch_size)# 返回数据迭代器以及源语言和目标语言的词表return data_iter, src_vocab, tgt_vocab

下面读出“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:', X.type(torch.int32))print('X的有效长度:', X_valid_len)print('Y:', Y.type(torch.int32))print('Y的有效长度:', Y_valid_len)break