LaBSE: 支持 109 种语言的多语言 BERT 嵌入向量模型
多语言嵌入向量模型是一种功能强大的工具，可以将不同语言的文本编码到共享的嵌入向量空间，可应用于下游一系列任务，例如文本分类、聚类等，同时还能够利用语义信息理解语言。现有生成此类嵌入向量的方法（如 LASER 或 m~USE）依赖于并行数据，将句子从一种语言直接映射到另一种语言，促进句子嵌入向量之间的一致性。
现有的多语言方法可在多种语言中达到良好的整体性能，但与专用双语模型相比，现有方法在高资源语言上通常表现不佳。专用双语模型可以利用翻译对的翻译排名任务等方法作为训练数据，获得更接近的对齐表征。此外，由于模型容量有限，且低资源语言的训练数据质量往往较差，因此多语言模型可能难以扩展，无法在保持良好性能的同时支持更多语言。
翻译排名任务
https://www.aclweb.org/anthology/W18-6317.pdf
多语言嵌入向量空间插图
改进语言模型的最新成果包括开发遮蔽语言模型 (Masked Language Model，MLM) 预训练，例如 BERT、ALBERT 和 RoBERTa 使用的预训练。这种方法只需要单语文本，因此在多种自然语言处理任务中均表现优异。
遮蔽语言模型
https://www.aclweb.org/anthology/N19-1423/RoBERTa
https://arxiv.org/abs/1907.11692
此外，通过将 MLM 训练修改为包括级联翻译对（翻译语言建模 (Translation Language Modeling，TLM)），或通过简单地引入来自多种语言的预训练数据，可以将 MLM 预训练扩展到多语言环境。虽然在 MLM 和 TLM 训练期间学习到的内部模型表示对下游任务微调很有帮助，但如果没有句子级别的目标，它们不能直接产生翻译任务所必需的句子嵌入向量。
翻译语言建模
https://arxiv.org/abs/1901.07291
在 语言无关 BERT 句子嵌入向量 (Language-agnostic BERT Sentence Embedding) 中，我们提出一种名为 LaBSE 的多语言 BERT 嵌入向量模型，可为 109 种语言生成语言无关的跨语言句子嵌入向量。LaBSE 在 170 亿个单语句子和 60 亿个双语句子对上使用 MLM 和 TLM 进行了预训练，训练出的模型，对训练期间没有可用数据的低资源语言也有效。此外，该模型还在多个并行文本（又称 bitext）检索任务上建立了最前沿 (SOTA) 水平。预训练的模型已经通过 tfhub 向社区发布，其中包括可以直接使用或使用域特定数据进行微调的模块。
语言无关 BERT 句子嵌入向
https://arxiv.org/abs/2007.01852BERT
https://www.aclweb.org/anthology/N19-1423/Tfhub
https://tfhub.dev/google/LaBSE/1
支持 109 种语言的训练数据集合
模型
在先前研究中，我们建议使用翻译排名任务学习多语言句子嵌入向量空间。这种方法给定源语言中的一个句子，让模型在目标语言的句子集合上对真实翻译进行排名。翻译排名任务使用具有共享转换器编码器的双编码器架构进行训练。生成的双语模型在多项并行文本检索任务（包括 United Nations 和 BUCC）上取得了最前沿 (SOTA) 的性能。然而，由于模型容量、词汇覆盖率、训练数据质量等方面的限制，当双语言模型扩展到支持多种语言（在测试用例中共有 16 种语言）时，模型性能有所降低。
先前研究
https://www.ijcai.org/Proceedings/2019/0746.pdf
翻译排名任务：给定源语言中的一个句子，任务是在目标语言的句子集合中找到真正的翻译
对于 LaBSE，我们在类似 BERT 的架构上利用了语言模型预训练的最近进展，包括 MLM 和 TLM，并在翻译任务排名上进行微调。在 109 种语言上使用 MLM 和 TLM 预训练带有 50 万个 token 词汇的 12 层 Transformer，增加模型和词汇的覆盖率。产生的 LaBSE 模型在单个模型中提供了对 109 种语言的扩展支持。
BERT
https://arxiv.org/pdf/1810.04805.pdfTransformer
https://ai.googleblog.com/2017/08/transformer-novel-neural-network.html
双编码器架构，源文本和目标文本分别使用共享参数转换器嵌入向量网络进行编码。应用翻译排名任务，迫使互相解释的文本具有相似的表达。转换器嵌入向量网络从在 MLM 和 TLM 任务上训练的 BERT 检查点初始化
在跨语言文本检索上的性能
我们使用 Tatoeba 语料库评估模型，该数据集包含多达 112 种语言的 1000 个英语对齐句子对。对于数据集中 30 种以上的语言，该模型没有训练数据。该模型的任务是通过余弦距离进行计算，查找给定句子的最近邻翻译。
Tatoeba 数据集
https://github.com/facebookresearch/LASER/tree/master/data/tatoeba/v1
为了了解语言模型对训练数据分布头部或尾部语言的性能，我们将语言集合分为若干组，并计算每组的平均准确率。从 m~USE 支持的语言中选择第一个 14 种语言组，这些语言覆盖了分布头部的语言（头部语言）。我们还评估了由 XTREME 基准的 36 种语言组成的第二个语言组。从 LASER 训练数据涵盖的语言中选择的第三个 82 种语言组包括许多分布尾部的语言 （尾部语言）。最后计算所有语言的平均准确率。
下表列出了每个语言组的 LaBSE 相较于 m~USE 和 LASER 模型实现的平均准确率。正如预期，所有模型在涵盖大多数头部语言的 14 种语言组中均表现出色。随着语言增多，LASER 和 LaBSE 的平均准确率都有所下降。但 LaBSE 模型的准确率下降幅度要小得多，显著优于 LASER，尤其在 112 种语言完整分布的情况下（准确率分别为 83.7% 和 65.5%）。
| 模型 | 14 种语言 | 36 种语言 | 82 种语言 | 所有语言 |
|---|---|---|---|---|
| m~USE* | 93.9 | — | — | — |
| LASER | 95.3 | 84.4 | 75.9 | 65.5 |
| LaBSE | 95.3 | 95.0 | 87.3 | 83.7 |
Tatoeba 数据集的平均准确率 (%)。“14 种语言”组由 m~USE 支持的语言组成；“36 种语言”组包括 XTREME 选择的语言；“82 种语言”组代表 LASER 模型所涵盖的语言。“所有语言”组包括 Taoteba 支持的所有语言
* m~USE 模型有两种，一种基于卷积神经网络架构，另一种基于类 Transformer 架构。此处仅与 Transformer 版本比较
对未训练语言的支持
Tatoeba 中所有语言的平均性能都很有前途。值得注意的是，LaBSE 甚至在没有训练数据的 30 多种 Tatoeba 语言中取得了相对较好的表现（见下文）。在这些语言中，有三分之一语言的 LaBSE 准确率高于 75%，只有 8 种语言的准确率低于 25%，表明 LaBSE 对没有训练数据的语言有很强的迁移性能。这种强大的语言迁移完全依赖于 LaBSE 的大规模多语言性质。
没有训练数据的 Tatoeba 语言子集（使用 ISO 639-1/639-2 代码表示）的 LaBSE 准确率
从网络挖掘并行文本
LaBSE 可用于从网络规模数据中挖掘并行文本 (bi-text)。例如，我们将 LaBSE 应用于大规模单语言语料库 CommonCrawl 处理 5.6 亿个中文和 3.3 亿个德语句子，提取并行文本。每个中文和德语句子对都使用 LaBSE 模型编码，然后使用编码后的嵌入向量从模型预处理和编码的 77 亿个英语句子库中查找潜在的翻译。采用近似最近邻搜索快速搜索高维句子嵌入向量。
经过简单筛选，模型分别返回 2.61 亿个和 1.04 亿个英中和英德潜在并行对。经过训练的 NMT 模型利用挖掘数据在 WMT 翻译任务上获得 35.7 和 27.2 的 BLEU 分数（英中为 wmt17，英德为 wmt14）。它的表现与当前在高质量并行数据上训练的 SOTA 模型相比只差几分。
结论
我们很高兴与社区分享本研究成果和模型。为了支持该方向和潜在下游应用的进一步研究，预训练模型已在 tfhub 上发布。我们也相信此处的成果只是一个开始，还有更多重要的研究问题需要解决，例如，如何建立更好的模型来支持所有语言。
Tfhub
https://tfhub.dev/google/LaBSE/1
致谢
核心团队包括 Wei Wang、Naveen Arivazhagan、Daniel Cer。我们要感谢 Google Research 语言团队以及来自其他 Google 团队的反馈和建议。特别感谢 Sidharth Mudgal 和 Jax Law 在数据处理方面的帮助；以及 Jialu Liu、Tianqi Liu、Chen Chen 和 Anosh Raj 在 BERT 预训练方面的帮助。
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