NLP三大Subword模型详解：BPE、WordPiece、ULM
在NLP任务中，神经网络模型的训练和预测都需要借助词表来对句子进行表示。传统构造词表的方法，是先对各个句子进行分词，然后再统计并选出频数最高的前N个词组成词表。
通常训练集中包含了大量的词汇，以英语为例，总的单词数量在17万到100万左右。出于计算效率的考虑，通常N的选取无法包含训练集中的所有词。因而，这种方法构造的词表存在着如下的问题：
-
实际应用中，模型预测的词汇是开放的，对于未在词表中出现的词(Out Of Vocabulary, OOV)，模型将无法处理及生成； -
词表中的低频词/稀疏词在模型训练过程中无法得到充分训练，进而模型不能充分理解这些词的语义； -
一个单词因为不同的形态会产生不同的词，如由"look"衍生出的"looks", "looking", "looked"，显然这些词具有相近的意思，但是在词表中这些词会被当作不同的词处理，一方面增加了训练冗余，另一方面也造成了大词汇量问题。
一种解决思路是使用字符粒度来表示词表，虽然能够解决OOV问题，但单词被拆分成字符后，一方面丢失了词的语义信息，另一方面，模型输入会变得很长，这使得模型的训练更加复杂难以收敛。
针对上述问题，Subword(子词)模型方法横空出世。它的划分粒度介于词与字符之间，比如可以将”looking”划分为”look”和”ing”两个子词，而划分出来的"look"，”ing”又能够用来构造其它词，如"look"和"ed"子词可组成单词"looked"，因而Subword方法能够大大降低词典的大小，同时对相近词能更好地处理。
目前有三种主流的Subword算法，它们分别是：Byte Pair Encoding (BPE), WordPiece和Unigram Language Model。
Byte Pair Encoding (BPE)
BPE最早是一种数据压缩算法，由Sennrich等人于2015年引入到NLP领域并很快得到推广。该算法简单有效，因而目前它是最流行的方法。GPT-2和RoBERTa使用的Subword算法都是BPE。
BPE获得Subword的步骤如下：
准备足够大的训练语料，并确定期望的Subword词表大小； 将单词拆分为成最小单元。比如英文中26个字母加上各种符号，这些作为初始词表； 在语料上统计单词内相邻单元对的频数，选取频数最高的单元对合并成新的Subword单元； 重复第3步直到达到第1步设定的Subword词表大小或下一个最高频数为1.
下面以一个例子来说明。假设有语料集经过统计后表示为{'low':5,'lower':2,'newest':6,'widest':3}，其中数字代表的是对应单词在语料中的频数。
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拆分单词成最小单元，并初始化词表。这里，最小单元为字符，因而，可得到
| 语料 | 词表 |
|---|---|
| 'l o w </w>':5 'l o w e r </w>':2 'n e w e s t </w>':6 'w i d e s t </w>':3 |
'l','o','w', 'e', 'r','n','s','t','i', 'd','</w>' |
需要注意的是，在将单词拆分成最小单元时，要在单词序列后加上”</w>”(具体实现上可以使用其它符号)来表示中止符。在子词解码时，中止符可以区分单词边界。
-
在语料上统计相邻单元的频数。这里，最高频连续子词对"e"和"s"出现了6+3=9次，将其合并成"es"，有
| 语料 | 词表 |
|---|---|
| 'l o w </w>':5 'l o w e r </w>':2 'n e w es t </w>':6 'w i d es t </w>':3 |
'l','o','w','e', 'r','n','s','t',' i','d','</w>','es' |
由于语料中不存在's'子词了，因此将其从词表中删除。同时加入新的子词'es'。一增一减，词表大小保持不变。
-
继续统计相邻子词的频数。此时，最高频连续子词对"es"和"t"出现了6+3=9次, 将其合并成"est"，有
| 语料 | 词表 |
|---|---|
| 'l o w </w>':5 'l o w e r </w>':2 'n e w est </w>':6 'w i d est </w>':3 |
'l','o','w','e', 'r','n','t','i', 'd','</w>','es','est' |
-
接着，最高频连续子词对为"est"和"</w>"，有
| 语料 | 词表 |
|---|---|
| 'l o w </w>':5 'l o w e r </w>':2 'n e w est</w>':6 'w i d est</w>':3 |
'l','o','w','e', 'r','n','i','d', 'est','est</w>' |
-
继续上述迭代直到达到预设的Subword词表大小或下一个最高频的字节对出现频率为1。
从上面的示例可以知道，每次合并后词表大小可能出现3种变化：
-
+1，表明加入合并后的新子词，同时原来的2个子词还保留（2个字词分开出现在语料中）。
-
+0，表明加入合并后的新子词，同时原来的2个子词中一个保留，一个被消解（一个子词完全随着另一个子词的出现而紧跟着出现）。
-
-1，表明加入合并后的新子词，同时原来的2个子词都被消解（2个字词同时连续出现）。
实际上，随着合并的次数增加，词表大小通常先增加后减小。
在得到Subword词表后，针对每一个单词，我们可以采用如下的方式来进行编码：
-
将词典中的所有子词按照长度由大到小进行排序； -
对于单词w，依次遍历排好序的词典。查看当前子词是否是该单词的子字符串，如果是，则输出当前子词，并对剩余单词字符串继续匹配。 -
如果遍历完字典后，仍然有子字符串没有匹配，则将剩余字符串替换为特殊符号输出，如”<unk>”。 -
单词的表示即为上述所有输出子词。
解码过程比较简单，如果相邻子词间没有中止符，则将两子词直接拼接，否则两子词之间添加分隔符。
WordPiece
Google的Bert模型在分词的时候使用的是WordPiece算法。与BPE算法类似，WordPiece算法也是每次从词表中选出两个子词合并成新的子词。与BPE的最大区别在于，如何选择两个子词进行合并：BPE选择频数最高的相邻子词合并，而WordPiece选择能够提升语言模型概率最大的相邻子词加入词表。
看到这里，你可能不清楚WordPiece是如何选取子词的。这里，通过形式化方法，能够清楚地理解WordPiece在合并这一步是如何作出选择的。假设句子 由n个子词组成， 表示子词，且假设各个子词之间是独立存在的，则句子 的语言模型似然值等价于所有子词概率的乘积：
假设把相邻位置的x和y两个子词进行合并，合并后产生的子词记为z，此时句子 似然值的变化可表示为：
从上面的公式，很容易发现，似然值的变化就是两个子词之间的互信息。简而言之，WordPiece每次选择合并的两个子词，他们具有最大的互信息值，也就是两子词在语言模型上具有较强的关联性，它们经常在语料中以相邻方式同时出现。
Unigram Language Model (ULM)
与WordPiece一样，Unigram Language Model(ULM)同样使用语言模型来挑选子词。不同之处在于，BPE和WordPiece算法的词表大小都是从小到大变化，属于增量法。而Unigram Language Model则是减量法,即先初始化一个大词表，根据评估准则不断丢弃词表，直到满足限定条件。ULM算法考虑了句子的不同分词可能，因而能够输出带概率的多个子词分段。
我们接下来看看ULM是如何操作的。
对于句子S， 为句子的一个分词结果，由m个子词组成。所以，当前分词下句子S的似然值可以表示为：
对于句子S，挑选似然值最大的作为分词结果，则可以表示为
这里 包含了句子的所有分词结果。在实际应用中，词表大小有上万个，直接罗列所有可能的分词组合不具有操作性。针对这个问题，可通过维特比算法得到 来解决。
那怎么求解每个子词的概率 呢？ULM通过EM算法来估计。假设当前词表V, 则M步最大化的对象是如下似然函数：
其中，|D|是语料库中语料数量。上述公式的一个直观理解是，将语料库中所有句子的所有分词组合形成的概率相加。
但是，初始时，词表V并不存在。因而，ULM算法采用不断迭代的方法来构造词表以及求解分词概率：
初始时，建立一个足够大的词表。一般，可用语料中的所有字符加上常见的子字符串初始化词表，也可以通过BPE算法初始化。 针对当前词表，用EM算法求解每个子词在语料上的概率。 对于每个子词，计算当该子词被从词表中移除时，总的loss降低了多少，记为该子词的loss。 将子词按照loss大小进行排序，丢弃一定比例loss最小的子词(比如20%)，保留下来的子词生成新的词表。这里需要注意的是，单字符不能被丢弃，这是为了避免OOV情况。 重复步骤2到4，直到词表大小减少到设定范围。
可以看出，ULM会保留那些以较高频率出现在很多句子的分词结果中的子词，因为这些子词如果被丢弃，其损失会很大。
SentencePiece
如何使用上述子词算法？一种简便的方法是使用SentencePiece，它是谷歌推出的子词开源工具包，其中集成了BPE、ULM子词算法。除此之外，SentencePiece还能支持字符和词级别的分词。更进一步，为了能够处理多语言问题，sentencePiece将句子视为Unicode编码序列，从而子词算法不用依赖于语言的表示。
写作总结不易，如果觉得本文对你有所帮助请点再看吧^_^。
参考
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[1]https://zhuanlan.zhihu.com/p/147666521
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[2]https://blog.floydhub.com/tokenization-nlp/
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[3]https://zhuanlan.zhihu.com/p/90151246
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[4]https://dxzmpk.github.io/2020/04/29/Bert%E7%B3%BB%E5%88%97%E4%BC%B4%E7%94%9F%E7%9A%84%E6%96%B0%E5%88%86%E8%AF%8D%E5%99%A8/
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