ICML 2021 Long Oral | 顺序不可知的交叉熵函数

©PaperWeekly 原创 · 作者 | 张一帆

学校 | 华南理工大学本科生

研究方向 | CV，Causality

本文针对非自回归翻译模型提出了一个新的损失函数：order-agnostic cross entropy（OAXE），这种交叉熵损失函数忽略了词与词的顺序，将 NAT 看成了一个集合预测的问题，基于模型预测和目标标签之间的最佳可能对齐计算交叉熵损失。

为了解决由于次序忽略带来的问题，文中提出了使用交叉熵损失 pretrain 模型再使用 OAXE finetune 以及对 confidence 较小的预测进行截断两种正则化的策略，极大的提高了翻译的性能。

论文标题：

Order-Agnostic Cross Entropy for Non-Autoregressive Machine Translation

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2106.05093

代码链接：

https://github.com/tencent-ailab/ICML21_OAXE

Methodology

先来直观的看一下本文的损失函数和已有的 loss 有什么本质的区别。传统的交叉熵损失对每一个错误的词序都会引入惩罚，之前的工作AXE会对词进行单调的对齐，而本文直接找最优的对齐方式。

那么我们将传统的交叉熵损失写为：

本文提出的 loss 其实很简单：

其中是我们的排序空间，是其中一种对预测词排序的策略，对于一个长度为的预测，可以找到种不同的排序，因此如何计算这个损失是个问题。在本文种，作者将该问题简化为了二分图匹配，对预测出的每个位置和目标词汇之间进行二分图匹配。

Training

2.1 Avoiding Invalid Orderings via XE Initialization

如果我们直接使用 OAXE loss 进行训练，那么显然会丢失掉词序信息，文中有两种策略缓解这个问题：

我们先使用 XE loss 训练一个模型，然后使用 OAXE 进行微调，这样 XE loss 其实已经学到了不错的词序信息。
第二种方法是将 XE 和 OAXE 根据一个加权因子进行结合，这个权重随着时间变化逐渐趋于 0。

2.2 Dropping Invalid Predictions via Loss Truncation

即使使用 XE 来初始化，也还是会产生一些例如“I apple have”之类的语句，作者根据置信度进行截断，其中截断参数是根据验证集进行寻找的。

只反向传播概率高于 margin 的词，这使得模型倾向于只学习有信心的预测。

Experiments

作者在 6 个数据集上进行了实验，均采取了句子级别的 distillation，baseline 为 CMLM。

3.1 不同的OAXE引入策略

上述提到了两种防止次序信息丢失的方法，从实验中可以得到，从 XE 预训练的模型开始引入 OAXE 得到的效果最好。

3.2 与SOTA的比较

CMLM 是之前的 SOTA，如果在输出端经过足够多次数的 refinement，CMLM 可以在 WMT14 EN-DE 上得到 27 左右的 BLUE，只有一次 refinement 的话只有 18.3，但是通过 OAXE 进行 fine-tune，可以使得其获得超过 7 个点的提升。

3.3 Raw Data

上面说到了，现在 NAT 都采用了句子级别的 distillation 来减少训练数据的多样性，从而提升模型的性能。在 raw data 上，OAXE 带来了更大的提升，即使使用raw data，其也比 cmlm 强。

除此之外文章还做了对于多样性，词序和句子长度相关的实验，相比于 XE，OAXE 在文中涉及的所有 metric 种均带来了巨大的提升。

Conclusion

XE 是一个典型的 token-level 的损失函数，相比较而言，OAXE 虽然依然是交叉熵，但是更像是 sentence-level 的损失函数，因此他已经和单个词的位置没有关系了，更多的 focus 在句子的语义上。

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