
## Google's neural machine translation system

NMT používa end-to-end vzdelávací prístup pre automatický preklad, ktorého cieľom je prekonať slabé stránky konvenčných frázových systémov. Bohužiaľ systémy NMT sú výpočtovo nákladné počas trénovania ako aj pri samotnom preklade (niekedy kvôli ochrane napr. pri vysokom množstve veľkých súborov a veľkých modelov). Niekoľko autorov tiež uviedlo, že systémom NMT chýba robustnosť, najmä keď vstupné vety obsahujú zriedkavé, alebo zastaralé slová. Tieto problémy bránili používaniu NMT v praktických nasadeniach a službách, kde je nevyhnutná presnosť aj rýchlosť. Spoločnosť Google preto predstavila GNMT (Google´s Neural Machine Translation) systém , ktorý sa pokúša vyriešiť mnohé z týchto problémov. Tento model sa skladá z hlbokej siete Long Short-Term Memory (LSTM) s 8 kódovacími a 8 dekódovacími vrstvami, ktoré využívajú zvyškové spojenia, ako aj pozorovacie spojenia zo siete dekodéra ku kódovaciemu zariadeniu. Aby sa zlepšila paralelnosť a tým pádom skrátil čas potrebný na tréning, tento mechanizmus pozornosti spája spodnú vrstvu dekodéra s hornou vrstvou kódovacieho zariadenia. Na urýchlenie konečnej rýchlosti prekladu používame pri odvodzovacích výpočtoch aritmetiku s nízkou presnosťou. Aby sa vylepšila práca so zriedkavými slovami, slová sa delia na vstup aj výstup na obmedzenú množinu bežných podslovných jednotiek („wordpieces“). Táto metóda poskytuje dobrú rovnováhu medzi flexibilitou modelov oddelených znakom a účinnosťou modelov oddelených slovom, prirodzene zvláda preklady vzácnych slov a v konečnom dôsledku zvyšuje celkovú presnosť systému.

Štatistický strojový preklad (SMT) je po celé desaťročia dominantnou paradigmou strojového prekladu.  Implementáciami SMT sú vo všeobecnosti systémy založené na frázach (PBMT), ktoré prekladajú sekvencie slov alebo frázy, kde sa môžu dĺžky líšiť.  Ešte pred príchodom priameho neurónového strojového prekladu sa neurónové siete s určitým úspechom používali ako súčasť systémov SMT.  Možno jeden z najpozoruhodnejších pokusov spočíval v použití spoločného jazykového modelu na osvojenie frázových reprezentácií, čo prinieslo pozoruhodné zlepšenie v kombinácii s prekladom založeným na frázach.  Tento prístup však vo svojej podstate stále využíva frázové prekladové systémy, a preto dedí ich nedostatky.

O koncepciu end-to-end učenia pre strojový preklad sa v minulosti pokúšali s obmedzeným úspechom.  Po seminárnych prácach v tejto oblasti sa kvalita prekladu NMT priblížila k úrovni frázových prekladových systémov pre bežné výskumné kritériá.  V anglickom až francúzskom jazyku WMT’14 dosiahol tento systém zlepšenie o 0,5 BLEU v porovnaní s najmodernejším frázovým systémom.  Odvtedy bolo navrhnutých veľa nových techník na ďalšie vylepšenie NMT ako napríklad použitie mechanizmu pozornosti na riešenie zriedkavých slov, mechanizmu na modelovanie pokrytia prekladu, rôznymi druhmi mechanizmov pozornosti, minimalizáciou strát na úrovni vety.  Aj keď presnosť prekladu týchto systémov bola povzbudivá, systematické porovnanie s veľkým rozsahom chýba, frázové prekladové systémy založené na kvalite výroby chýbajú.

  

LSTM sú špeciálny typ Rekurentných neurónových sietí (RNN), ktorý slúži na dosiahnutie dlhodobého kontextu (napr. Pri doplnení chýbajúcej interpunkcie alebo veľkých písmen). Najväčšie využitie LSTM je v oblasti strojového učenia a hĺbkového učenia.

Vlastnosti LSTM:

- pripravený spracovať nielen jednoduché dáta, ale aj celé sekvenčné dáta (napr. reč alebo video),

- sú vhodné na klasifikáciu, spracovanie a vytváranie predikcií na základe časových údajov

- LSTM boli definované tak, aby si na rozdiel od RNN vedeli pomôcť s problémom, ktorý sa nazýva „Exploding and vanishing gradient problems“.

## Exploding and vanishing gradient problems

V strojovom učení sa s problémom miznúceho gradientu stretávame pri trénovaní umelých neurónových sietí metódami učenia založenými na gradiente a spätnou propagáciou. V takýchto metódach dostáva každá z váh neurónovej siete aktualizáciu úmernú čiastočnej derivácii chybovej funkcie vzhľadom na aktuálnu váhu v každej iterácii tréningu. Problém je v tom, že v niektorých prípadoch bude gradient zbytočne malý, čo účinne zabráni tomu, aby váha zmenila svoju hodnotu. V najhoršom prípade to môže úplne zabrániť neurónovej sieti v ďalšom tréningu. Ako jeden príklad príčiny problému majú tradičné aktivačné funkcie, ako je hyperbolická tangenciálna funkcia, gradienty v rozsahu (0, 1) a spätné šírenie počíta gradienty podľa pravidla reťazca. To má za následok znásobenie n týchto malých čísel na výpočet gradientov prvých vrstiev v sieti n-vrstiev, čo znamená, že gradient (chybový signál) exponenciálne klesá s n, zatiaľ čo prvé vrstvy trénujú veľmi pomaly.

Ak sa použijú aktivačné funkcie, ktorých deriváty môžu nadobúdať väčšie hodnoty, riskujeme, že narazíme na súvisiaci problém s explodujúcim gradientom. Problém s explodujúcim gradientom je problém, ktorý sa môže vyskytnúť pri trénovaní umelých neurónových sietí pomocou gradientného klesania spätným šírením. Problém s explodujúcim gradientom je možné vyriešiť prepracovaním sieťového modelu, použitím usmernenej lineárnej aktivácie, využitím sietí s dlhodobou krátkodobou pamäťou (LSTM), orezaním gradientu a regularizáciou hmotnosti. Ďalším riešením problému s explodujúcim gradientom je zabrániť tomu, aby sa gradienty zmenili na 0, a to pomocou procesu známeho ako orezávanie gradientov, ktorý kladie na každý gradient vopred definovanú hranicu. Orezávanie prechodov zaisťuje, že prechody budú smerovať rovnakým smerom, ale s kratšími dĺžkami.

  

## Wordpiece Model

Tento prístup je založený výlučne na dátach a je zaručené, že pre každú možnú postupnosť znakov vygeneruje deterministickú segmentáciu.  Je to podobné ako metóda použitá pri riešení zriedkavých slov v strojovom preklade neurónov.  Na spracovanie ľubovoľných slov najskôr rozdelíme slová na slovné druhy, ktoré sú dané trénovaným modelom slovných spojení.  Pred cvičením modelu sú pridané špeciálne symboly hraníc slov, aby bolo možné pôvodnú sekvenciu slov získať zo sekvencie slovného slova bez nejasností.  V čase dekódovania model najskôr vytvorí sekvenciu slovných spojení, ktorá sa potom prevedie na zodpovedajúcu sekvenciu slov.


|![one](https://git.kemt.fei.tuke.sk/KEMT/zpwiki/raw/branch/master/pages/students/2016/patrik_pavlisin/tp20/Bez%20n%c3%a1zvu.png)|
|:--:| 
|Obr 1. príklad postupnosti slov a príslušná postupnosť slovných spojení|


Vo vyššie uvedenom príklade je slovo „Jet“ rozdelené na dve slovné spojenia „_J“ a „et“ a slovo „feud“ je rozdelené na dve slovné spojenia „_fe“ a „ud“.  Ostatné slová zostávajú ako jednotlivé slová.  „_“ Je špeciálny znak pridaný na označenie začiatku slova.

Wordpiece model sa generuje pomocou prístupu založeného na údajoch, aby sa maximalizovala pravdepodobnosť jazykových modelov cvičných údajov, vzhľadom na vyvíjajúcu sa definíciu slova.  Vzhľadom na cvičný korpus a množstvo požadovaných tokenov D je problémom optimalizácie výber wordpieces D tak, aby výsledný korpus bol minimálny v počte wordpieces, ak sú segmentované podľa zvoleného wordpiece modelu.  V tejto implementácii používame špeciálny symbol iba na začiatku slov, a nie na oboch koncoch.  Počet základných znakov tiež znížime na zvládnuteľný počet v závislosti na údajoch (zhruba 500 pre západné jazyky, viac pre ázijské jazyky).  Zistili sme, že použitím celkovej slovnej zásoby medzi 8 000 a 32 000 slovnými jednotkami sa dosahuje dobrá presnosť (skóre BLEU) aj rýchla rýchlosť dekódovania pre dané jazykové páry.

V preklade má často zmysel kopírovať zriedkavé názvy entít alebo čísla priamo zo zdroja do cieľa.  Na uľahčenie tohto typu priameho kopírovania vždy používame wordpiece model pre zdrojový aj cieľový jazyk.  Použitím tohto prístupu je zaručené, že rovnaký reťazec vo zdrojovej a cieľovej vete bude segmentovaný presne rovnakým spôsobom, čo uľahčí systému naučiť sa kopírovať tieto tokeny.  Wordpieces dosahujú rovnováhu medzi flexibilitou znakov a efektívnosťou slov.  Zistili sme tiež, že naše modely dosahujú lepšie celkové skóre BLEU pri používaní wordpieces - pravdepodobne kvôli tomu, že naše modely teraz efektívne pracujú v podstate s nekonečnou slovnou zásobou bez toho, aby sa uchýlili iba k znakom.
