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，基于神经网络的方法通常被称为神经机器翻译（neural machine translation）。
import os
import torch
from d2l import torch as d2l
9.5.1 下载和预处理数据集
“Tab-delimited Bilingual Sentence Pairs”数据集是由双语句子对组成的“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
d2l.DATA_HUB['fra-eng'] = (d2l.DATA_URL + 'fra-eng.zip',
'94646ad1522d915e7b0f9296181140edcf86a4f5')
#@save
def read_data_nmt():
"""载入“英语－法语”数据集"""
data_dir = d2l.download_extract('fra-eng')
with open(os.path.join(data_dir, 'fra.txt'), 'r',
encoding='utf-8') as f:
return f.read()
raw_text = read_data_nmt()
print(raw_text[:75])
Downloading ..\data\fra-eng.zip from http://d2l-data.s3-accelerate.amazonaws.com/fra-eng.zip...
Go. Va !
Hi. Salut !
Run! Cours !
Run! Courez !
Who? Qui ?
Wow! Ça alors !
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
-
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):
return char in set(',.!?') and prev_char != ' '
# 使用空格替换不间断空格
# 使用小写字母替换大写字母
text = text.replace('\u202f', ' ').replace('\xa0', ' ').lower()
# 在单词和标点符号之间插入空格
out = [' ' + char if i > 0 and no_space(char, text[i - 1]) else char
for i, char in enumerate(text)]
return ''.join(out)
text = preprocess_nmt(raw_text)
print(text[:80])
go . va !
hi . salut !
run ! cours !
run ! courez !
who ? qui ?
wow ! ça alors !
9.5.2 词元化
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）。
#@save
def tokenize_nmt(text, num_examples=None):
"""词元化“英语－法语”数据数据集"""
source, target = [], [] # source 是源语言 target 是目标语言
for i, line in enumerate(text.split('\n')): # 按行遍历
if num_examples and i > num_examples: # 限制句子数
break
parts = line.split('\t')
if len(parts) == 2:
source.append(parts[0].split(' ')) # 分割成词元列表
target.append(parts[1].split(' '))
return source, target
source, target = tokenize_nmt(text)
source[:6], target[:6]
([['go', '.'],
['hi', '.'],
['run', '!'],
['run', '!'],
['who', '?'],
['wow', '!']],
[['va', '!'],
['salut', '!'],
['cours', '!'],
['courez', '!'],
['qui', '?'],
['ça', 'alors', '!']])
#@save
def show_list_len_pair_hist(legend, xlabel, ylabel, xlist, ylist):
"""绘制列表长度对的直方图"""
d2l.set_figsize()
_, _, patches = d2l.plt.hist(
[[len(l) for l in xlist], [len(l) for l in ylist]])
d2l.plt.xlabel(xlabel)
d2l.plt.ylabel(ylabel)
for patch in patches[1].patches:
patch.set_hatch('/')
d2l.plt.legend(legend)
show_list_len_pair_hist(['source', 'target'], '# tokens per sequence',
'count', source, target);
9.5.3 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，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。
src_vocab = d2l.Vocab(source, min_freq=2,
reserved_tokens=['<pad>', '<bos>', '<eos>'])
len(src_vocab)
10012
9.5.4 加载数据集
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，因此需要通过截断（truncation）和填充（padding）方式实现一次只处理一个小批量的文本序列。简言之就是多了截断，短了补齐。
#@save
def truncate_pad(line, num_steps, padding_token):
"""截断或填充文本序列"""
if len(line) > num_steps:
return line[:num_steps] # 长了截断
return line + [padding_token] * (num_steps - len(line)) # 短了填充
truncate_pad(src_vocab[source[0]], 10, src_vocab['<pad>'])
[47, 4, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]
定义 build_array_nmt 函数将文本序列转换成小批量数据集用于训练。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。
此外，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。
#@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"""
lines = [vocab[l] for l in lines] # 将句子中的各词元转换为下标
lines = [l + [vocab['<eos>']] for l in lines] # 添加结束符
array = torch.tensor([truncate_pad( # 分成小批量
l, num_steps, vocab['<pad>']) for l in lines])
valid_len = (array != vocab['<pad>']).type(torch.int32).sum(1) # 计算长度
return array, valid_len
9.5.5 整合
#@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"""
text = preprocess_nmt(read_data_nmt()) # 预处理
source, target = tokenize_nmt(text, num_examples) # 词元化
src_vocab = d2l.Vocab(source, min_freq=2, # 源语言词表
reserved_tokens=['<pad>', '<bos>', '<eos>'])
tgt_vocab = d2l.Vocab(target, min_freq=2, # 目标语言词表
reserved_tokens=['<pad>', '<bos>', '<eos>'])
src_array, src_valid_len = build_array_nmt(source, src_vocab, num_steps) # 源语言小批量化
tgt_array, tgt_valid_len = build_array_nmt(target, tgt_vocab, num_steps) # 目标语言小批量化
data_arrays = (src_array, src_valid_len, tgt_array, tgt_valid_len)
data_iter = d2l.load_array(data_arrays, batch_size)
return data_iter, src_vocab, tgt_vocab
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
X: tensor([[ 39, 91, 4, 3, 1, 1, 1, 1],
[139, 12, 4, 3, 1, 1, 1, 1]], dtype=torch.int32)
X的有效长度: tensor([4, 4])
Y: tensor([[ 92, 12, 5, 3, 1, 1, 1, 1],
[111, 0, 4, 3, 1, 1, 1, 1]], dtype=torch.int32)
Y的有效长度: tensor([4, 4])
练习
（1）在 load_data_nmt 函数中尝试不同的 num_examples 参数值。这对源语言和目标语言的词表大小有何影响？
for num_examples in range(100, 1201, 100):
train_iter, src_vocab, tgt_vocab = load_data_nmt(batch_size=2, num_steps=8, num_examples=num_examples)
print(f"num_examples = {'%4d'%num_examples} len(src_vocab) = {len(src_vocab)} len(tgt_vocab) = {len(tgt_vocab)}")
num_examples = 100 len(src_vocab) = 40 len(tgt_vocab) = 40
num_examples = 200 len(src_vocab) = 69 len(tgt_vocab) = 67
num_examples = 300 len(src_vocab) = 102 len(tgt_vocab) = 107
num_examples = 400 len(src_vocab) = 130 len(tgt_vocab) = 125
num_examples = 500 len(src_vocab) = 159 len(tgt_vocab) = 163
num_examples = 600 len(src_vocab) = 184 len(tgt_vocab) = 201
num_examples = 700 len(src_vocab) = 208 len(tgt_vocab) = 224
num_examples = 800 len(src_vocab) = 229 len(tgt_vocab) = 250
num_examples = 900 len(src_vocab) = 249 len(tgt_vocab) = 286
num_examples = 1000 len(src_vocab) = 266 len(tgt_vocab) = 321
num_examples = 1100 len(src_vocab) = 293 len(tgt_vocab) = 359
num_examples = 1200 len(src_vocab) = 314 len(tgt_vocab) = 384
（2）某些语言（例如中文和日语）的文本没有单词边界指示符（例如空格）。对于这种情况，单词级词元化仍然是个好主意吗？为什么？
没有边界指示符不意味着没有单词，仍然是需要分词的，只是麻烦些。