语义分析的一些方法
语义分析的一些方法(上篇)
转载 2015年11月05日 12:32:13
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语义分析，本文指运用各种机器学习方法，挖掘与学习文本、图片等的深层次概念。wikipedia上的解释：In machine learning, mantic analysis of a corpus is the task of building structures that approximate concepts from a large t of documents(or images)。
工作这几年，陆陆续续实践过一些项目，有搜索广告，社交广告，微博广告，品牌广告，内容广告等。要使我们广告平台效益最大化，首先需要理解用户，Context(将展示广告的上下文)和广告，才能将最合适的广告展示给用户。而这其中，就离不开对用户，对上下文，对广告的语义分析，由此催生了一些子项目，例如文本语义分析，图片语义理解，语义索引，短串语义关联，用户广告语义匹配等。
接下来我将写一写我所认识的语义分析的一些方法，虽说我们在做的时候，效果导向居多，方法理论理解也许并不深入，不过权当个人知识点总结，有任何不当之处请指正，谢谢。
本文主要由以下四部分组成：文本基本处理，文本语义分析，图片语义分析，语义分析小结。先讲述文本处理的基本方法，这构成了语义分析的基础。接着分文本和图片两节讲述各自语义分析的一些方法，值得注意的是，虽说分为两节，但文本和图片在语义分析方法上有很多共通与关联。最后我们简单介绍下语义分析在广点通“用户广告匹配”上的应用，并展望一下未来的语义分析方法。
1 文本基本处理
在讲文本语义分析之前，我们先说下文本基本处理，因为它构成了语义分析的基础。而文本处理有很多方面，考虑到本文主题，这里只介绍中文分词以及Term Weighting。
1.1 中文分词
拿到一段文本后，通常情况下，首先要做分词。分词的方法一般有如下几种：
∙基于字符串匹配的分词方法。此方法按照不同的扫描方式，逐个查找词库进行分词。根据扫描方式可细分为：正向最大匹配，反向最大匹配，双向最大匹配，最小切分(即最短路径)；总之就是各种不同的启发规则。
∙全切分方法。它首先切分出与词库匹配的所有可能的词，再运用统计语言模型决定最优的切分结果。它的优点在于可以解决分词中的歧义问题。下图是一个示例，对于文本串“南京市长江大桥”，首先进行词条检索(一般用Trie存储)，找到匹配的所有词条（南京，市，长江，大桥，南京市，长江大桥，市长，江大桥，江大，桥），以词网格(word lattices)形式表示，接着做路径搜索，基于统计语言模型(例如n-gram)[18]找到最优路径，最后可能还需要命名实体识别。下图中“南京市 长江 大桥”的语言模型得分，即P(南京市，长江，大桥)最高，则为最优切分。
图1. “南京市长江大桥”语言模型得分
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∙由字构词的分词方法。可以理解为字的分类问题，也就是自然语言处理中的quence labeling问题，通常做法里利用HMM，MAXENT，MEMM，CRF等预测文本串每个字的tag[62]，譬如B，E，I，S，这四个tag分别表示：beginning, inside, ending, single，也就是一个词的开始，中间，结束，以及单个字的词。 例如“南京市长江大桥”的标注结果可能为：“南(B)京(I)市(E)长(B)江(E)大(B)桥(E)”。由于CRF既可以像最大熵模型一样加各种领域feature，又避免了HMM的齐次马尔科夫假设，所以基于CRF的分词目前是效果最好的，具体请参考文献[61,62,63]。除了HMM，CRF等模型，分词也可以基于深度学习方法来做，如文献[9][10]所介绍，也取得了state-of-the-art的结果。
图2. 基于深度学习的中文分词
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上图是一个基于深度学习的分词示例图。我们从上往下看，首先对每一个字进行Lookup Table，映射到一个固定长度的特征向量(这里可以利用词向量，boundary entropy，accessor variety等)；接着经过一个标准的神经网络，分别是linear，sigmoid，linear层，对于每个字，预测该字属于B,E,I,S的概率；最后输出是一个矩阵，矩阵的行是B,E,I,S 4个tag，利用viterbi算法就可以完成标注推断，从而得到分词结果。
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一个文本串除了分词，还需要做词性标注，命名实体识别，新词发现等。通常有两种方案，一种是pipeline approaches，就是先分词，再做词性标注；另一种是joint approaches，就是把这些任务用一个模型来完成。有兴趣可以参考文献[9][62]等。
一般而言，方法一和方法二在工业界用得比较多，方法三因为采用复杂的模型，虽准确率相对高，但耗时较大。
1.2 语言模型
前面在讲“全切分分词”方法时，提到了语言模型，并且通过语言模型，还可以引出词向量，所以这里把语言模型简单阐述一下。
语言模型是用来计算一个句子产生概率的概率模型，即P(w_1,w_2,w_3…w_m)，m表示词的总个数。根据贝叶斯公式：P(w_1,w_2,w_3 … w_m) = P(w_1)P(w_2|w_1)P(w_3|w_1,w_2) … P(w_m|w_1,w_2 … w_{m-1})。
最简单的语言模型是N-Gram，它利用马尔科夫假设，认为句子中每个单词只与其前n–1个单词有关，即假设产生w_m这个词的条件概率只依赖于前n–1个词，则有P(w_m|w_1,w_2…w_{m-1}) = P(w_m|w_{m-n+1},w_{m-n+2} … w_{m-1})。其中n越大，模型可区别性越强，n越小，模型可靠性越高。
N-Gram语言模型简单有效，但是它只考虑了词的位置关系，没有考虑词之间的相似度，词语法和词语义，并且还存在数据稀疏的问题，所以后来，又逐渐提出更多的语言模型，例如Class-bad ngram model，topic-bad ngram model，cache-bad ngram model，skipping ngram model，指数语言模型（最大熵模型，条件随机域模型）等。若想了解更多请参考文章[18]。
最近，随着深度学习的兴起，神经网络语言模型也变得火热[4]。用神经网络训练语言模型的经典之作，要数Bengio等人发表的《A Neural Probabilistic Language Model》[3]，它也是基于N-Gram的，首先将每个单词w_{m-n+1},w_{m-n+2} … w_{m-1}映射到词向量空间，再把各个单词的词向量组合成一个更大的向量作为神经网络输入，输出是P(w_m)。本文将此模型简称为ffnnlm（Feed-forward Neural Net Language Model）。ffnnlm解决了传统n-gram的两个缺陷：(1)词语之间的相似性可以通过词向量来体现；(2)自带平滑功能。文献[3]不仅提出神经网络语言模型，还顺带引出了词向量，关于词向量，后文将再细述。
